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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
PROGRAMA DE MESTRADO NACIONAL PROFISSIONAL EM ENSINO DE FÍSICA - POLO CAMPO MOURÃO
ELISSANDRA BENETI CATELI MANGOLIN
DO SENSO COMUM AO CONHECIMENTO CIENTÍFICO: UMA
PROPOSTA DIDÁTICO-PEDAGÓGICA PARA O ENSINO DE
INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA NO ENSINO MÉDIO
CAMPO MOURÃO 2016
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DO SENSO COMUM AO CONHECIMENTO CIENTÍFICO: UMA
PROPOSTA DIDÁTICO-PEDAGÓGICA PARA O ENSINO DE
INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA NO ENSINO MÉDIO
Elissandra Beneti Cateli Mangolin
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física da Universidade Tecnológica Federal do Paraná – campus Campo Mourão - como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Ensino de Física. Orientador: Prof. Dr. Cesar Vanderlei Deimling Co-orientadora: Prof. Dra. Natalia Neves Macedo Deimling
CAMPO MOURÃO 2016
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Agradecimentos
Quero agradecer a minha família pelo apoio durante estes dois anos de
estudos, sem vocês nada disso teria acontecido.
Aos meus amigos pelas mensagens de incentivo ao decorrer dos
trabalhos.
Serei eternamente grata a você Natalia N. M. Deimling e Cesar V.
Deimling por guiarem meus passos, na sabedoria da orientação.
Agradeço a CAPES pela bolsa de estudos.
Um grande abraço aos professores do MNPEF de Campo Mourão, por
seus ensinamentos.
Deixo aqui o meu maior incentivo em querer buscar mais
conhecimento, minha filha Lara.
vi
“Não sei se estou perto ou longe demais, se peguei o rumo certo ou errado. Sei apenas que sigo em frente, vivendo dias iguais de forma diferente. Já não caminho mais sozinho, levo comigo cada recordação, cada vivência, cada lição. E, mesmo que tudo não ande da forma que eu gostaria, saber que já não sou a mesma de ontem me faz perceber que valeu a pena”.
Albert Einstein
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RESUMO
BENETI CATELI MANGOLIN, Elissandra. Do senso comum ao conhecimento científico: uma proposta didático-pedagógica para o ensino de Indução Eletromagnética no Ensino Médio. 2016. 156 páginas. Dissertação (Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física) – Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Campo Mourão, 2016.
Considerando a importância e a emergência de estudos e pesquisas voltados à análise e à prática do ensino de Física na educação básica, este estudo teve como objetivo principal identificar e analisar as contribuições e as limitações dos livros didáticos de Física do ensino médio, tendo em vista, a partir de suas limitações, elaborar, desenvolver e avaliar uma proposta didático-pedagógica para o ensino de tópicos do conteúdo de Eletromagnetismo, em especial a relação existente entre a força magnética e as correntes de Foucault, decorrentes dos efeitos de indução eletromagnética. Trata-se de um projeto vinculado ao Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física (MNPEF), desenvolvido na Universidade Tecnológica Federal do Paraná, campus Campo Mourão, sob a supervisão da Sociedade Brasileira de Física. Para o alcance do objetivo proposto, desenvolvemos, em um primeiro momento, uma análise documental de quatro livros didáticos de Física utilizados atualmente na rede pública de ensino do Estado do Paraná, dando enfoque ao conteúdo de Indução Eletromagnética e Correntes de Foucault, a fim de que pudéssemos identificar as possíveis limitações e lacunas desses materiais em relação a este conteúdo. Em um segundo momento, iniciamos a elaboração de um material didático alternativo para o ensino deste conteúdo no ensino médio, tendo em vista desenvolver e avaliar a viabilidade deste material na prática de sala de aula. Para tanto, foi elaborado um plano de unidade e, a partir deste, uma unidade de conteúdo que contempla atividades teórico-práticas e experimentais, as quais buscaram superar algumas das lacunas encontradas nos livros didáticos analisados. Para o desenvolvimento deste trabalho, tomamos como referencial teórico-metodológico a Psicologia Histórico-Cultural e a Pedagogia Histórico-Crítica. As atividades elaboradas foram desenvolvidas com duas turmas do terceiro ano do ensino médio, ambas de escolas públicas. A análise dos dados obtidos nos deixou observar que o conteúdo trabalhado permitiu que os alunos articulassem teoria e prática e passassem, efetivamente, do senso comum ao conhecimento científico em relação aos tópicos estudados.
Palavras-chave: Eletromagnetismo. Ensino de Física. Educação Básica.
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ABSTRACT
BENETI CATELI MANGOLIN, Elissandra. From the common sense to the scientific knowledge: a didactic-pedagogical proposal for teaching Electromagnetic Induction in the High School. 2016. 156 pages. Dissertation (National Professional Master Degree’s of Physics Teaching) – Technological Federal University of Parana, Campo Mourão, 2016. Taking into consideration the importance and the emergency of the studies and research related to the analysis and practice of Physics teaching in the High School, this dissertation has as the main goal to identify and analyze the contributions and limitations of the Physics High School books and, by its limitations, develop and test a pedagogic-didactic proposal to teach Electromagnetism, to be more specific, in relation to magnetic power and Focault theories about the efects of magnetic induction. This is a project attached to a National Professional Master Degree’s of Physics Teaching (MsNPEF) at the Technological Federal University of Parana, Campo Mourão Campus, under the supervision of the Brazilian Physics Society. To reach the proposed objective, we first, analyzed four Physics books that are being used right now at the Public Schools in Parana State in Brazil, focusing on the contents of Electromagnetic Induction and Foucault currents so that we could identify the lack and limitations of those books in relation to this content. In a second moment, we wrote a didactic material as an alternative to teach this topic for high School students, to develop and test the viability of this material in the classroom. In order to do so, we create de a unit plan and a unit content to have theoric-practical and experimental activities which tried to overcome some lacks left by those four books analyzed before. To develop this work, we took as theorical-methodological reference the Historical Culture Psychology and the Historical Critical Pedagogy. The elaborated activities were developed with two classes of the third year in the High School, both public schools. The analysis of the obtained data allowed us to diagnose that the content worked enabled that the students linked theory and practice and went effectively from the common sense to the scientific knowledge in relation to the studied topics.
Key wors: Eletromagnetism, Physics teaching, High School.
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LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1: O condutor retilíneo percorrido por uma corrente de intensidade que gera um campo magnético circular com centro próprio, condutor .....................................
25
FIGURA 2: Demonstração da relação entre a corrente elétrica e a variação do fluxo magnético......................................................................................................
26 FIGURA 3: Linhas de campo magnético atravessando uma superfície plana .......................
26
FIGURA 4: Esquema da Lei de Lenz, no momento em que o ímã se aproxima da bobina .. .
29
FIGURA 5: Imagem do simulador da Lei de Faraday retirado do PHET .............................
29
FIGURA 6: Demonstração da queda do ímã .........................................................................
30
FIGURA 7: Demonstração da Potência da variação do fluxo ............................................
31
FIGURA 8: Esquema do experimento de Faraday .................................................................
32
FIGURA 8: Demonstração do sentido do campo magnético gerado pela passagem da corrente elétrica em um condutores com diferentes formatos .........................
32
FIGURA 10: Esquema de um disco paramagnético (alumínio) girando entre os pólos dos magnetos .....................................................................................................
34
FIGURA 11: Esquema simplificado ilustrando o surgimento de uma força contrária ao movimento do disco devido à presença de correntes de Foucault......................
34
FIGURA 12: Representação da Regra da mão Direita, aplicada à corrente elétrica e ao Campo Magnético .........................................................................................
36
FIGURA 13: Esquema de um transformador ...........................................................................
38
FIGURA 14: Representação das correntes de Foucault ......................................................
39
FIGURA 15: Esquema simplicifado mostrando o alinhamento dos momentos magnéticos de um material ferromagnético ...........................................................................
40
FIGURA 16: Representação do fluxo magnético no transformador em um dado instante de tempo ..........................................................................................................
41
FIGURA 17:
Alunos realizando a atividade teórico-experimental sobre o Freio Magnético I .. 60
FIGURA 18:
Alunos confeccionando o Gerador Elétrico, sob a orientação da professora pesquisadora ...............................................................................................
61
FIGURA 19: Experimento do Freio Magnético II .................................................................
64
FIGURA 20: Um aluno manuseando o experimento de Freio Magnético II ...........................
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FIGURA 21: Processo de desmontagem e montagem de um transformador .......................
67
FIGURA 22: Alunos verificando a mudança de tensão nos transformadores .......................
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x
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 01
2. ENSINO DE FÍSICA: CONSIDERAÇÕES HISTÓRICAS E TEÓRICAS SOBRE
O TEMA ...................................................................................................................
09
2.1 Indução Eletromagnética e Correntes de Foucault ............................................ 23
3. A OPÇÃO METODOLÓGICA E SEUS PROCEDIMENTOS ............................ 43
4. RESULTADOS ..................................................................................................... 48
4.1 Contribuições e limitações dos livros didáticos sobre o conteúdo de Indução
Eletromagnética ........................................................................................................
4.2 Eletromagnetismo – Partindo da prática social inicial dos estudantes .............
48
4.3 Problematizando e instrumentalizando os estudantes dos conteúdos históricos
– Indução Eletromagnética .......................................................................................
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58
4.4 Problematizando e instrumentalizando os estudantes dos conteúdos culturais
– O gerador elétrico ..................................................................................................
60
4.5 Problematizando e instrumentalizando os estudantes dos conteúdos culturais
– Correntes de Foucault ...........................................................................................
63
4.6 Problematizando e instrumentalizando os estudantes dos conteúdos culturais
– Transformadores ....................................................................................................
67
4.7 Afinal, o que é indução Eletromagnética? Retornando à prática social dos
estudantes ................................................................................................................
70
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................................................ 82
REFERÊNCIAS ........................................................................................................ 84
APÊNDICE A – Roteiro de análise dos livros didáticos ..................................... 90
APÊNDICE B – Termo de consentimento ............................................................ 92
APÊNDICE C – Questionários Inicial e Final ........................................................ 93
APÊNDICE D – Plano de Unidade .......................................................................... 95
APÊNDICE E – Produto Educacional .................................................................... 103
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1. INTRODUÇÃO
Diferentes estudos e pesquisas que discutem sobre o ensino de Física
no Brasil (BACHELARD, 1996; BORGES, 1997; 1999; MENEZES, 2000;
OSTERMANN e MOREIRA, 2000; GRECA e MOREIRA, 2001; ZANETIC,
2004; CARVALHO e COIMBRA 2007) têm discutido, entre outros aspectos,
sobre as dificuldades enfrentadas por escolas, professores e estudantes no
desenvolvimento da disciplina de Física no ensino médio. Entre as diferentes
razões e variáveis que concorrem para essas dificuldades encontra-se,
também, a ausência de uma formação específica dos professores que
lecionam esta disciplina, especialmente nas redes públicas de ensino.
De acordo com Deimling (2014), os dados da auditoria realizada no ano
de 2014 pelo Tribunal de Contas da União (TCU) indicam, no Brasil, um déficit
estimado de pelo menos 32.700 professores com formação específica no
conjunto das doze disciplinas obrigatórias que compõem o currículo do ensino
médio. Física é a disciplina com maior carência - mais de nove mil professores
- e é o único caso com déficit em todos os estados. Em seguida vêm as
disciplinas de Química e Sociologia, ambas com carência de mais de quatro mil
profissionais. Só no Estado do Paraná, há atualmente 2.630 professores sem
formação específica na área em que atuam.
Os dados apresentados por essa auditoria se somam à estatística
apresentada pelo Conselho Nacional de Educação – CNE em 2007 e
evidenciam a alarmante escassez de professores para a educação básica. E
esta não é uma exclusividade do Brasil. Segundo dados recentes apresentados
por Zeichner (2013, apud DEIMLING, 2014), há uma estimativa internacional
de que seriam necessários, até o ano de 2015, cerca de 10,5 milhões de
professores em todo o mundo para que seja possível atender ao objetivo de
universalização da educação fundamental, o que não ocorreu até o recorrente
ano. Todavia, como discutido por Deimling (2014), a escassez de professores
não pode ser caracterizada como um problema emergencial, mas sim como um
problema crônico, produzido historicamente pela retirada da responsabilidade
do Estado pela manutenção da educação pública de qualidade e da formação
de seus educadores. Todavia, tal qualidade demanda investimento público em
políticas que melhorem tais condições na prática. Afinal, como afirma esta
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autora, não parece coerente que se projete uma formação com níveis de
exigência que representem a importância do papel do professor sem
considerar, por exemplo, a necessidade de associá-la a boas condições de
trabalho e a uma carreira que seja atraente e que estimule investimento
pessoal dos professores.
O aumento de matrículas na educação básica da rede pública nos
últimos 20 anos tem resultado num avanço significativo e democrático para a
universalização deste nível de ensino; todavia, tal expansão tem sido
acompanhada, em muitos casos, de perda de qualidade, com diminuição de
salário real dos professores, classes superlotadas, aumento da jornada de
trabalho, entre outros aspectos (FREITAS, 1999; FREITAS, 2007). Aliada a
essas questões tem-se, também, a escassez de recursos materiais e
tecnológicos para o desenvolvimento do processo de ensino-aprendizagem,
especialmente nas escolas públicas. Neste cenário, um dos materiais mais
utilizados pelos professores em sala de aula é o livro didático, o qual, nas
últimas décadas, tem levantado críticas tanto positivas quanto negativas por
parte de professores e pesquisadores. De acordo com Fracalanza e Neto
(2006, p. 176), “há um razoável estoque de críticas aos livros didáticos
brasileiros de Ciências”. A despeito das críticas desenvolvidas, o fato é que o
professor, mesmo dispondo de um material que, dadas as suas limitações,
pode favorecer o trabalho com os diferentes conteúdos disciplinares em sala de
aula, possui uma baixa carga horária de trabalho em cada turma para o
desenvolvimento de tais conteúdos, o que, por sua vez, pode gerar dificuldades
na condução de um trabalho aprofundado e problematizador que vise à efetiva
articulação entre teoria e prática no trabalho com os conteúdos em sala de
aula.
Há muitas décadas, a discussão sobre a importância da relação entre
teoria e prática e entre conhecimento científico e cotidiano na formação escolar
tem permeado diversos estudos e pesquisas de diferentes áreas do
conhecimento e, em especial, da área de ensino. Todavia, a despeito dos
diferentes estudos e análises já realizadas ou em andamento, observamos
ainda que, em muitas situações, os conteúdos estudados em âmbito escolar
são trabalhados de forma desconexa da prática social, o que, frequentemente,
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faz com que os estudantes apresentem algumas dificuldades em relacionar os
conteúdos curriculares à realidade cotidiana.
Sabemos que tais dificuldades não estão relacionadas apenas a forma
como o professor desenvolve os conteúdos em sala de aula, uma vez que essa
forma depende, direta ou indiretamente, dos princípios e concepções, das
finalidades e das condições objetivas e subjetivas que norteiam e permeiam a
educação escolar e, mais especificamente, o processo de ensino-
aprendizagem. Entretanto, partindo do princípio de que a educação, ainda que
elemento determinado, não deixa de influenciar o elemento determinante,
consideramos que a forma como os conteúdos são desenvolvidos em sala de
aula também necessita ser ponderada no momento de análise desse processo,
tendo em vista, também, a transformação das concepções, finalidades e
condições que são postas. Assim, se consideramos a necessidade de um
ensino que vise à articulação entre teoria e prática, precisamos igualmente
pensar em algumas das condições materiais que são necessárias para que tal
articulação seja favorecida dentro de sala de aula.
Nesse sentido, elencamos1 como objetivo deste trabalho identificar e
analisar as contribuições e as limitações dos livros didáticos de Física do
ensino médio, tendo em vista, a partir de suas limitações, elaborar, desenvolver
e avaliar uma proposta didático-pedagógica para o ensino de tópicos do
conteúdo de Eletromagnetismo. O material foi especificamente focado na
Indução Eletromagnética e nas correntes de Foucault, uma vez que este tópico
de conteúdo é pouco explorado, de acordo com a análise que realizamos de
quatro livros didáticos.
Para tanto, tomamos como referência os princípios e pressupostos que
fundamentam a Psicologia Histórico-Cultural (VIGOTSKY, 2008) e a Pedagogia
Histórico-Crítica (SAVIANI e GASPARIN, 2007), as quais, entre tantos outros
aspectos, defendem a importância da ação educativa mediadora no
desenvolvimento dos conceitos e da consciência científica. De acordo com
Vigotsky (2008), a elaboração de um conceito não começa e não surge de um
campo desconhecido, uma vez que o sujeito já possui conhecimentos prévios a
1 Neste trabalho, optamos por escrever em primeira pessoa do plural devido ao fato de que a
pesquisa, em suas diferentes etapas, foi conduzida em colaboração com o orientador e co-
orientadora.
4
respeito de determinado assunto a partir de seu convívio social com as formas
estabelecidas pela cultura. No entanto, para que esses conhecimentos prévios
possam ascender ao nível de conceito científico é necessário que haja
aprendizagem escolar.
Essa relação dialética entre os conhecimentos científicos e cotidianos e
o papel da educação escolar na elaboração de saberes sistematizados é o foco
de discussão da Pedagogia Histórico-Crítica. Em sua teoria, Saviani (2008)
defende que professor e alunos devem ter como ponto de partida da ação
educativa os problemas postos pela prática social. No momento inicial de
discussão desses problemas são considerados os conhecimentos prévios
trazidos pelos alunos. Todavia, a partir da problematização das questões
postas pela prática social em suas diferentes dimensões e da apropriação dos
instrumentos teóricos e práticos necessários ao equacionamento desses
problemas, esses conhecimentos são transformados em saber científico,
sistematizado, sendo uma expressão elaborada da nova forma de
entendimento da prática social a que se ascendeu. Trata-se, para o autor, da
efetiva incorporação dos instrumentos culturais, transformados agora em
elementos ativos de transformação social. Nesse sentido, a produção de
materiais didáticos que visem favorecer a articulação entre conteúdos abstratos
e realidade concreta torna-se um importante instrumento tanto para a
internalização do conhecimento científico quanto para compreensão do
contexto imediato e mediato. Esta mediação nos remete as diretrizes
curriculares do estado do Paraná, uma vez que a mesma segue este mesmo
referencial teórico-metodológico.
De acordo com as Diretrizes Curriculares Estaduais do Estado do
Paraná – DCE (PARANÁ, 2008), a disciplina de Física no ensino médio deve
ter por princípio a formação de estudantes que, com base em conhecimentos
teórico-práticos, reflitam sobre o mundo das ciências, tendo em vista uma
formação crítica e consciente sobre a prática social mais ampla, em suas
diferentes dimensões:
Entende-se então, que a Física, tanto quanto as outras disciplinas, deve educar para cidadania e isso se faz considerando a dimensão crítica do conhecimento científico sobre o Universo de fenômenos e a não-neutralidade de produção desse conhecimento, mas seu
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comprometimento e envolvimento com aspectos sociais, políticos, econômicos e culturais (PARANÁ, 2008, p. 50).
A Física tem como objeto de estudo os fenômenos naturais, tudo que
está a nossa volta, o universo, em toda sua complexidade e, por isso, como
disciplina escolar, propõe aos estudantes o estudo da natureza.
Entre os muitos fenômenos estudados na disciplina de Física no ensino
médio está o Eletromagnetismo. Entre outros conteúdos, o Eletromagnetismo
ganha destaque por favorecer a articulação interdisciplinar com outras áreas do
conhecimento, tais como a Química, a Matemática e Biologia, explicando
alguns fenômenos discutidos nesses conteúdos disciplinares. Tal conteúdo
engloba várias situações cotidianas que, muitas vezes, deixam de ser
problematizadas quando de seu trabalho em sala de aula. O campo magnético,
indução eletromagnética, correntes parasitas, são apenas alguns dos conceitos
e situações presentes em nosso cotidiano que podem ser explicados e
problematizados no âmbito do conteúdo de Eletromagnetismo da disciplina de
Física no ensino médio, sendo articulados com as demais áreas do
conhecimento em suas diferentes dimensões.
De acordo com as DCE de Física (2008):
O trabalho sobre o eletromagnetismo enseja, ainda, tratar conteúdos relacionados a circuitos elétricos e eletrônicos, responsáveis pela presença da eletricidade e dos aparelhos eletroeletrônicos no cotidiano, com a presença da eletricidade em nossas casas. Esses temas ainda são objetos de estudo em muitas pesquisas, sejam relativas à tecnologia incorporada aos sistemas produtivos ou aos novos materiais e técnicas. Ao serem abordados na escola, é preciso considerar, também, seu papel nas mudanças econômicas e sociais da sociedade contemporânea, bem como o fato de não serem acessíveis para todos (PARANÁ, 2008, p. 60-61).
Segundo Magalhães, Santos e Dias (2002), fenômenos elétricos e
magnéticos estão presentes em grande parte dos equipamentos que fazem
parte do nosso cotidiano, tais como computadores, televisores, geladeiras,
motores. Deste modo, a compreensão do eletromagnetismo tem fundamental
importância para o entendimento da prática social e, consequentemente, para a
formação crítica e cidadã dos estudantes.
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Diante da dificuldade da professora-pesquisadora deste trabalho em
trabalhar com os tópicos do Eletromagnetismo, e considerando os relatos de
outros profissionais da área – tais como, rotatividade de professores nos
colégios, ausência de formação continuada específica da Física e,
principalmente, baixa carga horária nas turmas, buscamos uma alternativa para
auxiliar o professor no trabalho com este conteúdo em sala de aula. Para tanto
iniciamos com a análise dos livros didáticos.
Atualmente as escolas públicas contam com apoio dos livros didáticos
para auxiliar no aprendizado do aluno. O livro didático como uma produção
humana serve a diversos discursos de seus múltiplos agentes e usuários, situa-
se entre diferentes forças e reúne parte do imenso conhecimento produzido
pela humanidade, transmitindo informações verbais e não-verbais. Ele está
envolvido por teorias educacionais e científicas, está impregnado de ideologias
e, portanto, tanto pode formar como deformar aqueles que fazem uso dele. O
livro didático desempenha ainda um papel importante na construção do
conhecimento dos alunos, carrega as marcas do discurso científico e escolar e,
dessa forma, pode ser considerado um objeto cultural localizado num
determinado tempo (GARCIA e BIZZO, 2010).
Dados de outros estudos também já nos mostraram que o livro didático
se constitui na principal ferramenta utilizada pelos professores em suas aulas.
A centralidade do livro nas aulas mostra a importância atribuída pelos
professores a esse material, incluindo seu papel estruturante e estruturador nas
atividades em sala de aula, ou seja, o professor a partir do livro didático
organiza as tarefas, os trabalhos e muitas vezes as pesquisas a serem
desenvolvidas por seus alunos. O livro assume também uma posição de
elemento controlador do currículo, pois para muitos professores, ele dirige os
conteúdos a serem trabalhados no dia a dia (GARCIA e BIZZO, 2010).
Com isto, nosso trabalho consistiu, num primeiro momento, na análise
de quatro livros didáticos de Física do terceiro ano do Ensino Médio utilizados
atualmente, a fim de que pudéssemos diagnosticar nesses livros a ausência ou
não de dois tópicos de conteúdo essenciais sobre Eletromagnetismo: a Indução
Eletromagnética e o seu vínculo com as Correntes de Foucault e com a Força
Magnética. Neste momento, analisamos a qualidade deste material, no sentido
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de verificar a presença de erros gráficos ou textuais assim como a presença de
generalizações indevidas.
Após a análise dos livros, foi elaborado um plano de unidade com base
na Pedagogia Histórico-Crítica como perspectiva didática para o ensino de
Física, constituindo-a como referencial teórico norteador deste trabalho. Assim,
esta teoria educacional prioriza a realidade social, o que a principio torna-se o
diferencial do método dialético de ensino, uma vez que as relações de
hierarquia, poder e desigualdades presentes muitas vezes nas relações entre
professor e aluno ficariam em segundo plano, dando lugar para a realidade
social em que ambos se encontram inseridos e para a problematização dessa
realidade, em suas diferentes dimensões.
Como a Física é uma ciência natural, que envolve o cotidiano do aluno,
é relativamente fácil contextualizar o conteúdo a partir da realidade prática,
todavia, a dificuldade maior é transformar esse conhecimento espontâneo,
cotidiano, em conhecimento científico, fazer do aluno um crítico, pois o mesmo
está acostumado por diversas vezes a receber tudo pronto e de forma
superficial.
Em muitas situações, o professor não consegue trabalhar em sala de
aula todo conteúdo exigido pelas Diretrizes Curriculares da Educação Básica
do Estado do Paraná (DCEs), sendo os alunos do terceiro ano do ensino médio
os mais prejudicados. Nesta série é trabalhado, entre outros, o conteúdo sobre
Eletromagnetismo; porém o que se percebe é um ensino muitas vezes
superficial, seja pela falta de tempo, pois com apenas duas horas aulas
semanais o aprendizado dos alunos pode ficar prejudicado, seja pela falta de
domínio de alguns professores sobre este e outros conteúdos da Física, ou
mesmo pela falta de material devidamente adaptado para ser desenvolvido
nesta fase do aprendizado dos estudantes.
Considerando todos esses aspectos, buscamos elaborar, desenvolver e
avaliar uma proposta didático-pedagógica alternativa que vise à
sistematização, problematização e contextualização deste conteúdo em seus
aspectos teóricos e práticos e em sua relação com a prática social mais ampla.
Assim, o presente trabalho se encontra organizado em quatro capítulos.
No primeiro capítulo apresentamos a fundamentação teórica do trabalho, tendo
em vista apresentar um panorama geral sobre o Ensino de Física em sua
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perspectiva histórica e teórica, bem como sobre o referencial teórico que
norteia o estudo. Em seguida, no segundo capítulo, apresentamos a opção
metodológica da pesquisa e seus procedimentos de construção e análise dos
dados. No terceiro capítulo, discutimos os principais achados da pesquisa,
tendo como norte os objetivos inicialmente traçados e o referencial teórico-
metodológico escolhido. Ao final, tecemos algumas considerações acerca dos
resultados alcançados.
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2. ENSINO DE FÍSICA: CONSIDERAÇÕES HISTÓRICAS E TEÓRICAS
SOBRE O TEMA
A necessidade de se discutir uma nova proposta didático-pedagógica
para os tópicos de eletromagnetismo no ensino médio surgiu devido às
dificuldades em se trabalhar este conteúdo em sala de aula. Por ser um
conteúdo do final do terceiro ano do ensino médio, muitos professores não
conseguem finalizá-lo ou, quando conseguem, este é por diversas vezes
tratado de maneira superficial ou descontextualizada. Além disso, a carga
horária destinada à disciplina de Física é baixa - em geral 2 horas/aulas
semanais - considerando a quantidade e a complexidade dos conteúdos
destinados a essa unidade curricular. Ademais, tem-se, muitas vezes, a falta de
formação específica dos professores para trabalhar este conteúdo, bem como
a grande rotatividade de professores nas escolas públicas, com suas cargas
horárias preenchidas em mais de uma instituição de ensino, o que não os
permite estabelecer identidade ou vínculo com seu local de trabalho.
Há que se considerar, também, certa falta de organização no trabalho
com os conteúdos de Física em sala de aula. Por exemplo, muito tempo se
leva para discutir eletrostática, mas pouco se avança a respeito de suas
aplicações. Além disso, pouco se fala de magnetismo e muito pouco de
eletromagnetismo propriamente dito, considerando-se todas as suas aplicações
do mundo moderno (ALBUQUERQUE, 2008).
Mesmo sendo um conteúdo estruturante de Física presente nas DCEs
do Paraná, a forma como ele é abordado por professores e, especialmente,
pelos livros didáticos, são por diversas vezes superficiais. De acordo com
Fracalanza e Neto (2006):
(...) abre-se também a necessidade de inclusão de subsídios metodológicos para o trabalho com o livro do aluno, de esclarecimentos ao professor sobre a organização de conteúdo, sua conexão com as atividades, as diferentes formas alternativas de aproveitá-las e de sugestões práticas que facilitem seus encaminhamentos. Até mesmo as respostas aos exercícios não podem ser lacônicas ou telegráficas, devendo ser justificadas e exploradas em suas possíveis ambiguidades e contradições (FRACALANZA e NETO, 2006, p. 208).
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Assim, propomo-nos a identificar e analisar nos livros didáticos de Física
as possíveis contradições e limitações presentes na apresentação do conteúdo
de Indução Eletromagnética, tendo em vista, a partir dessa análise, o
desenvolvimento de uma proposta didático-pedagógica alternativa que busque
suprir essas possíveis limitações na discussão deste conteúdo.
A seguir, tomando como referência o estudo de Almeida Júnior (1979 e
1980), de Barra e Lorenz (1986), Fracalanza e Neto (2006), Albuquerque
(2008), Garcia e Bizzo (2010), Carvalho e Gil-Pérez (2011), Geraldo (2009),
destacamos alguns acontecimentos relacionados ao ensino de ciências e a
condição do livro didático no Brasil e, especificamente, no Estado do Paraná, a
fim de investigar os condicionantes da educação e seus reflexos em nossa
sociedade.
Em relação a formação do professor de ciências no Brasil, Garcia e
Bizzo (2010) comenta que logo após a Proclamação da República, o cenário
educacional brasileiro era de contraste. De um lado, uma enorme massa
ignorante e, de outro, uma elite política altamente educada, sendo a maioria
com curso superior na área jurídica.
Nesse cenário, o desenvolvimento da ciência no Brasil teve de enfrentar
quatro problemas principais, segundo Bizzo (1996) em um trabalho individual
anterior:
Os estudos a respeito da fauna e da flora brasileiros eram parcos, em grande medida, dependentes de coleções situadas na Europa, particularmente em Paris. A formação de professores, mesmo obtida no exterior, pouco poderia ajudar o desenvolvimento do ensino no contexto tropical brasileiro. Além disso, a atração gravitacional do Direito conferia molduras teóricas à ciência que a transfiguravam inteiramente, dado que em vez de um ordenamento questionador do raciocínio, ela era apresentada, tal como um código legal, como um rol dogmático de afirmações. [...] a tendência e conferir autonomia cada vez maior às províncias, [...] fazia da educação contexto particularmente favorável, dado que implicava expensas adicionais às finanças de Pedro II (BIZZO, 1996, p. 131).
Nesse contexto, os livros didáticos utilizados, desde a instituição do
ensino público no Brasil, com a fundação do Colégio D. Pedro II, até meados
do século XX, eram, em sua maioria, franceses e refletiam o que havia de
11
melhor no pensamento europeu sobre o ensino de ciências (LORENZ, apud
BARRA; LORENZ, 1986).
A partir de meados do século XX, viu-se o incentivo ao desenvolvimento
de materiais didáticos na área de ciências. Este também foi um período de
mudanças na legislação que regulavam o ensino secundário, e tais mudanças
refletiram no livro didático. Nicioli Júnior e Mattos (2007) analisaram livros
didáticos das décadas de 50 e 60 e observaram que a abordagem do conteúdo
dos livros didáticos de Física do século XIX e do século XX sofreu alterações.
Segundo os autores:
Em nossa análise podemos observar que a pedagogia utilizada nos livros didáticos desse período é informativa [...] A ciência não é caracterizada como historicamente construída, pois é posta nos livros como acabada sem nenhuma postura indagadora. [...] Predomina a memorização, caracterizada por um monólogo centrado no professor cujo apenas é praticado o ensino bancário do conteúdo. Sendo assim, a visão da ciência ensinada a um aluno do ensino secundário da época era apenas de cálculos complicados, onde a principal finalidade era a preparação para o ensino superior (NICOLI JÚNIOR e MATTOS, 2007).
Assim, podemos observar que o livro didático é influenciado por diversos
fatores: políticas predominantes de cada período, tendências de ensino e
propostas curriculares mundiais, investimento financeiro (geralmente ausência),
condições objetivas de trabalho, formação e atuação do professor.
Ainda em meados do século XX, mais especificamente em Janeiro de
1970, pessoas envolvidas com o ensino de Física se reuniram no campus da
Universidade de São Paulo - USP para trocar experiências. O primeiro
Simpósio Nacional de Ensino de Física – SNEF, fez um diagnóstico nada
animador: os problemas do ensino de Física não eram específicos de uma
região, mas sim de todo o país. Dos diversos pontos levantados, todos
estavam ligados, entre outros aspectos, ao problema da formação do professor
(ALMEIDA JÚNIOR, 1980).
Em 1971 foi decretada uma reforma no ensino. A Lei 5.692, promulgada
durante o período militar, alterava profundamente todo o sistema educacional.
Com tal mudança as metodologias de ensino se tornaram inadequadas para a
nova realidade da escola: havia carência de material didático adequado às
12
exigências legais e faltavam professores capacitados para ensinar ciências da
maneira prevista na nova diretriz (BARRA e LORENZ, 1986). Além disso, a
ausência de recursos financeiros e as péssimas condições materiais em que se
encontravam as escolas públicas neste período agravavam a situação.
Para atender as novas exigências curriculares e metodológicas, o
Ministério da Educação - MEC lançou o Projeto Nacional para a Melhoria do
Ensino de Ciências, sob a responsabilidade do Programa de Expansão e
Melhoria do Ensino (PREMEN), que também recebeu apoio financeiro da
United States Agency for International Development (USAID). Desta forma, foi
criado mais um órgão especializado na produção de materiais didáticos de
ciências. Na área da Física foi desenvolvido a Pesquisa em Ensino de Física -
PEF, em convênio com a USP (COIMBRA, 2007).
Todavia, com o findar da década de 1970, o Projeto Melhoria do Ensino
de Ciências passou a ser considerado não prioritário pelo MEC, assim como o
PREMEN teve seus recursos financeiros reduzidos, dificultando o andamento
dos projetos existentes e o financiamento de novo projetos (COIMBRA, 2007).
Considerando o desapreço do governo militar pela educação pública,
nesta mesma década professores de Física do país se reuniram em três
simpósios na tentativa de enfrentar os problemas do ensino. No I Simpósio
Nacional de Ensino de Física (SNEF) foram diagnosticados alguns problemas
relacionados ao ensino de Física, dentre eles a influência nefasta dos exames
de vestibular, pois os professores eram pressionados pelos próprios alunos
para que estes “ensinassem” a realizar tais exames (ALMEIDA JÚNIOR, 1980,
p. 68). Com isso, os materiais didáticos passaram a ser adaptados para essa
situação e, em consequência, houve a simplificação do livro didático e o
estabelecimento de um processo de massificação do ensino.
Chegando ao III Simpósio Nacional de Ensino de Física, neste mesmo
período, foram aprovadas moções que indicavam o descontentamento da
implementação de uma reforma do ensino médio sem a participação dos
professores. Segundo os participantes do evento, a implantação da Lei
5.692/71 implicaria numa superficialidade do ensino de Física, devido à
diminuição da carga horária no currículo (COIMBRA, 2007).
Ainda na década de 1970, foram criados dois Programas de Pós-
Graduação em Ensino de Ciências na USP e na Universidade Federal do Rio
13
Grande do Sul - UFRGS, a fim de qualificar e intensificar a pesquisa sobre o
ensino de Física. Tais pesquisas buscavam investigar e solucionar problemas
relativos ao ensino de Física em diversos âmbitos, com vistas à melhoria da
qualidade desse ensino (Coimbra 2007, apud MEGID NETO e PACHECO,
2004).
Este breve histórico do ensino no Brasil e o espaço ocupado pelo ensino
de Física e livros didáticos nos mostram que ao longo dos anos o processo
escolar tem apresentado, segundo Coimbra (2007), mais ou menos as mesmas
características:
O ensino de ciências/ Física não foi valorizado;
Ensino voltado para teoria e experimentação deixada de lado;
Ensino de ciências voltado para vestibular, moldando
comportamento de professor e aluno, currículo, tipo de avaliação,
eliminação de aulas de laboratório e o tipo de livro;
A classe dominante que detém o poder é a que faz as reformas,
de acordo com os seus interesses, para que a mesma continue
no poder;
O movimento curricular ocorrido em 1950 e 1980 foi inicialmente
estimulado por fatores externos, principalmente do interesse dos
norte-americanos, mas também foi estímulo para o
desenvolvimento de projetos nacionais, adequados à realidade
brasileira;
Professores com número excessivo de aulas, devido aos baixos
salários, não se atualizam, portanto não buscam melhorias nos
livros didáticos;
Livros didáticos que apresentam a ciência como pronta e
acabada, retirando o seu aspecto dinâmico de interação
homem/conhecimento/contexto histórico;
Livros didáticos com ênfase conceitual, em especial na
formalização matemática;
Livros “preocupados” somente em preparar para o ingresso no
ensino superior;
Livros que pouco têm contribuído para a formação de uma cultura
científica.
14
A inovação do ensino de ciências tem se transformado ao longo dos
anos, sendo influenciado por novas teorias de ensino-aprendizagem, por
mudanças nos objetivos do ensino de ciências e por transformações políticas,
sociais e econômicas (COIMBRA, 2007).
Em busca de uma articulação da educação ao panorama mundial, o
Brasil promoveu, na década de 1990 e início dos anos 2000, algumas reformas
curriculares na educação básica. Dispositivos legais como a Lei de Diretrizes e
Bases da Educação Nacional (LDB) de 1996, as Diretrizes Curriculares
Nacionais (DCEM) e os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN), são alguns
dos documentos indicadores dessas reformas (COIMBRA, 2007).
Com pesquisas mais recente como a de Carvalho e Gil-Perez (2011)
demonstram:
“Conjeturar que as deficiências em nossa preparação docente não constituem nenhum obstáculo intransponível, e que os diferentes problemas podem ser abordados e resolvidos por equipes docentes em um processo criativo e satisfatório. Deste ponto de vista, insistimos, não consideramos necessária, nem conveniente, a transmissão de propostas didáticas, apresentadas como produtos acabados, mas sim favorecer um trabalho de mudança didática que conduza os professores (em formação ou em atividade), a partir de suas próprias concepções, ampliarem seus recursos e modificarem suas perspectivas” (CARVALHO e GIL-PEREZ, 2011, pg. 30).
Assim percebemos a luta dos profissionais de ensino para melhoria no
Brasil, seja por meio de Formação Continuada ou Pós-Graduação, o importante
e continuação por melhorias no ensino básico do país.
Com está preocupação, ainda em discussão, foi proposta uma nova
Diretriz Nacional para o Ensino Médio (DCNEM), homologada em janeiro de
2012, pauta-se na integração curricular por áreas do conhecimento, pois a ideia
é adequar o currículo do Ensino Médio ao modelo do Exame Nacional do
Ensino Médio (ENEM), cuja proposta é interdisciplinar. Assim, não existiriam
mais as disciplinas Física, Biologia e Química, mas a disciplina de Ciências
Naturais, o que, segundo estudiosos da área, poderia acarretar num prejuízo
aos professores e alunos e a todo aprendizado específico mais elaborado.
Antecipadamente no Paraná, a partir de 2003, iniciou-se a construção
das diretrizes curriculares estaduais, coletiva, considerando-se a necessidade
15
de um documento crítico para orientar a prática pedagógica nas escolas
paranaenses.
Estas Diretrizes buscam construir um ensino de Física centrado em
conteúdos e metodologias capazes de levar os estudantes a uma reflexão
sobre o mundo das ciências, considerando que esta não é somente fruto da
racionalidade científica. Este documento tenta mostrar que a Física está além
de uma equação matemática e que o conhecimento científico é uma
construção humana com significado histórico e social. Seus princípios pautam-
se na teoria histórico-crítica e histórico-cultural, justamente a teoria que norteia
nosso estudo, segundo Gasparin (2007):
A Teoria Histórico-cultural atribui muita importância à apropriação de conhecimentos já produzidos historicamente e que se encontram objetivados na sociedade em que o indivíduo se insere (GASPARIN, 2007, p. 82).
Essa Teoria é muito propícia ao Ensino de Física, pois a Física está em
nosso cotidiano. Nessa perspectiva, Geraldo (2009) comenta:
“O conhecimento científico compõe a base de todo o processo produtivo na sociedade, além de estar presente nos elementos tecnológicos com os quais convivemos em nosso dia a dia, portanto, sua apropriação pelas novas gerações, além de um direito, é uma necessidade para o pleno exercício da cidadania em nosso meio” (GERALDO, 2009, p. 87).
Com todos esses fatores preocupantes para a educação, os livros
didáticos para o Ensino Médio demoraram um pouco mais a chegar nas
escolas públicas, como relata Garcia (2012):
“Para os jovens do Ensino Médio, o acesso aos livros só se efetuou recentemente, com a ampliação do Plano Nacional do Livro Didático e a criação do Programa Nacional do Livro Didático para o Ensino Médio – PNLEM, por meio da Resolução FNDE n.º 38/03. Na última década, portanto, começaram a ser construídas as condições para que os alunos do Ensino Médio das escolas públicas também passassem a receber livros didáticos gratuitamente, o que aconteceu com os de Física, pela primeira vez, em 2009, rompendo, assim, a crônica falta do livro didático dessa disciplina nas mãos dos alunos e professores” (GARCIA, 2012, p.6).
16
Com a inserção dos livros didáticos no ensino médio, houve também
uma grande preocupação com sua qualidade de conteúdo. Sabemos da
existência de uma comissão de profissionais da área para certificarem esses
livros, porém, esta qualidade é questionada por diversos fatores. Um desses
fatores é o mercado financeiro. De acordo com Saab (1999), a indústria dos
livros didáticos representa, em média, 54% da indústria nacional de livros. Em
1998, dos 369 milhões de livros produzidos no Brasil, 244 milhões referiam-se
aos didáticos, cujo segmento é o mais concentrado, ou seja, com o menor
número de editoras: Ática, Scipione, FTD, Saraiva e Moderna (GARCIA, 2012).
Além disso, diversas editoras de livros didáticos estão vinculadas a
redes de Ensino Superior, as quais possuem a preocupação de o aluno passar
no vestibular. Este resultado é visível em diversas pesquisas, segundo
Carvalho (2007):
“Os livros didáticos, de uma maneira geral, apresentam um discurso que mostra a preocupação com a Física como uma ciência que permite compreender uma grande quantidade de fenômenos naturais, indispensáveis para a formação profissional e preparação para o vestibular e a compreensão e interpretação do mundo pelos sujeitos. No entanto, neles a ênfase recai sobre os aspectos quantitativos em detrimento dos qualitativos e conceituais, privilegiando a resolução de “Problemas de Física” que se traduzem em exercícios matemáticos com respostas prontas” (CARVALHO, 2007, p.10).
De todo modo, apesar das novas tecnologias educacionais disponíveis,
o livro didático ainda constitui-se no recurso pedagógico mais difundido no
Brasil (GARCIA; 2011, CARVALHO; 2007, COIMBRA; 2007), desempenhando
importante papel no processo de ensino-aprendizagem.
Diversas dimensões da experiência escolar são afetadas pela presença
dos livros nas salas de aulas: o ensino, os métodos, a avaliação, a imagem dos
professores, o conhecimento, dentre outros. É inegável a forte tradição de se
estudar por meio dos livros, no entanto, são pouco conhecidas as condições
pelas quais eles afetam a vida escolar (GARCIA, 2011).
Numa perspectiva histórica, observamos algo contraditório: a ciência
está evoluindo a cada instante, com novas tecnologias, o que
consequentemente atinge a Física que está diretamente relacionada à
tecnologia e novas descobertas; por outro lado, percebemos um ensino
17
induzido, pronto, com foco no resultado proposto pelo professor ou em livros
didáticos, sem muito espaço para o aluno, essa visão empirista-indutivista pode
resultar em práticas docentes e discentes inadequadas. No entanto, nossa
proposta é proporcionar um aprendizado significativo. Segundo Moreira (2010),
nos mostra justamente o oposto, a importância do aprendizado significativo:
A aprendizagem significativa como um referente para organizar o ensino depreende-se que um ensino potencialmente significativo é viável, mas implica várias ações, inclusive a preparação de novos materiais instrucionais e o desenho e a implementação de novas estratégias didáticas que levem em conta o conhecimento prévio do aluno, os princípios programáticos da diferenciação progressiva e da reconciliação integrativa, os organizadores prévios, a avaliação como uma busca de evidências. Sem dúvida, um desafio. É muito mais fácil “seguir o livro” e “cumprir o programa” com aulas “estilo narrativa” (MOREIRA, 2010, p. 42).
Além do mais, percebemos de um lado o professor que, em muitas
situações, utiliza o livro didático como único recurso metodológico; de outro,
muitos alunos que acabam decorando o conteúdo para as provas sem
compreendê-lo. Esse processo mecanizado de ensino-aprendizagem, sem ou
com pouca relação com o cotidiano e com a prática social mais ampla, pode
acarretar, em professores e alunos, dificuldades na compreensão dos
conteúdos de Física trabalhados em sala de aula.
Ademais, o conteúdo de Física proposto nos planos e diretrizes de
ensino das escolas públicas é muito extenso para os três anos do ensino
médio, por ter apenas duas horas aulas semanais. O professor, em geral,
dispõe de um tempo muito reduzido para desenvolver a história da ciência, o
que torna as aulas somente um momento para resoluções de exercícios.
Zanetic (1989), há mais de duas décadas, já discutia sobre o caráter
mecanizado do ensino de Física nas escolas:
(...) a Física ensinada em nossas escolas é essencialmente matemático-operacional, metodologicamente pobre, sem experimentos, sem história interna ou externa e desligada da vivência dos alunos e da prática dos cientistas. Por tudo isso, a Física ensinada nas escolas, a Física escolar, nasce sob o signo do distanciamento com relação à “Física real” (ZANETIC,1989, p. 177).
18
Como podemos observar, tal realidade não mudou significativamente.
Ainda enfrentamos problemas relacionados à dicotomia entre teoria e prática
no ensino de Física – e em tantas outras disciplinas curriculares -, bem como
entre a realidade e os saberes científicos, imprescindíveis para uma
compreensão crítica dessa realidade.
Por esses e outros motivos, a Física acaba sendo considerada uma
disciplina de difícil compreensão, também por requerer muita interpretação e
matematização. Porém, o ensino de Física não deve se pautar apenas na
perspectiva matemática, uma vez que as equações e fórmulas não
representam todo o conhecimento científico nele envolvido.
Karam e Pietrocola (2009), fizeram uma pesquisa a fim de verificar a
relação existente entre a matemática e a Física, argumentando que ambas
estão profundamente relacionadas, comentam ainda das dificuldades que
muitos alunos e até mesmo professores tem quando questionados, ou
solicitados a explicarem as equações, o seu significado com suas próprias
palavras sobre os motivos pelos quais uma determinada expressão tem
aquela forma específica, raramente conseguem responder satisfatoriamente
a essas demandas. Todavia, os autores argumentam que essas duas
disciplinas têm sido trabalhadas de maneira independente no contexto do
ensino e que os estudantes dificilmente se dão conta dessa crescente relação.
Além desses aspectos, é preciso considerar que a Física precisa ser
trabalhada em sala de aula de maneira que contemple tanto a teoria como a
prática, seja por meio de aulas expositivas dialogadas, de experimentação ou
mesmo de resolução de exercícios. Outrossim, é preciso trabalhar este
conteúdo em suas diferentes dimensões, de maneira integrada, e não
fragmentada. Pode-se, por exemplo, problematizar o conteúdo a partir de sua
dimensão conceitual, científica, histórica, ambiental, econômica, social, entre
outros, sempre numa perspectiva teórico-prática, partindo de um contexto
empírico para o desenvolvimento do conhecimento científico. Esta é a proposta
da Pedagogia Histórico-Crítica, desenvolvida por Dermeval Saviani já na
década de 1970 e amplamente discutida por estudiosos e pesquisadores da
área de educação. A partir dessa teoria, parte-se dos conhecimentos prévios
dos alunos sobre a realidade prática, conhecimentos esses muitas vezes de
senso comum, fragmentados, sincréticos para, a partir da discussão, da
19
análise, da problematização, da teoria, possíveis por meio da ação educativa e
da mediação do professor, voltar-se à realidade prática, não mais aquela da
qual se partiu, mas sim para uma compreensão mais elevada, sintética, crítica,
científica e elaborada da prática social. Como relata Gasparin (2007):
“Durante o processo de sua formação no ensino fundamental e médio ou na formação inicial em nível superior, o educando ainda não se encontra habilitado legalmente para o exercício da profissão que escolhe. Por conseguinte, sua prática final do conteúdo será sempre uma prática, em maior medida, pedagógico-escolar e futuramente profissional. Todavia, a prática do período de formação extrapola a dimensão acadêmica porque a finalidade da escola, em todos os níveis e áreas do conhecimento, não é apenas preparar um profissional, mas um cidadão. Por isso, a prática social final do conteúdo ultrapassa o nível institucional para tornar-se um fazer prático-teórico no cotidiano extra-escolar nas diversas áreas da vida social” (GASPARIN, 2007, p. 147).
Essa didática objetiva um equilíbrio entre teoria e prática, envolvendo os
educandos em uma aprendizagem significativa dos conhecimentos científicos e
políticos, para que estes sejam agentes participativos de uma sociedade
democrática e de uma educação política (GASPARIN e PETENUCCI 2008).
Nessa perspectiva, o fenômeno da indução eletromagnética, foco deste
estudo, poderia ser trabalhado também em sua relação com a realidade
prática, em suas diferentes dimensões. Tal fenômeno, descrito por Faraday, é
de fundamental importância para a humanidade, pois a grande maioria das
coisas a nossa volta é afetada de alguma forma pela eletricidade. A
funcionalidade de um simples liquidificador e os mais sofisticados videogames,
por exemplo, possuem em seu princípio, direta ou indiretamente, a indução
eletromagnética. Além disso, a geração de energia elétrica para cidades
inteiras tem como processo fundamental o fenômeno da indução
eletromagnética. Portanto, motivos não faltam para que se conheça, estude e
entenda melhor como a natureza age nas situações-problema apresentadas,
podendo prever o que ocorrerá com cada fenômeno. Sobre este tópico de
conteúdo, as DCEs (PARANÁ, 2008) de Física apresentam:
O trabalho sobre o eletromagnetismo enseja, ainda, tratar conteúdos relacionados a circuitos elétricos e eletrônicos, responsáveis pela presença da eletricidade e dos aparelhos
20
eletroeletrônicos no cotidiano, com a presença da eletricidade em nossas casas. Esses temas ainda são objetos de estudo em muitas pesquisas, sejam relativas à tecnologia incorporada aos sistemas produtivos ou aos novos materiais e técnicas. Ao serem abordados na escola, é preciso considerar, também, seu papel nas mudanças econômicas e sociais da sociedade contemporânea, bem como o fato de não serem acessíveis para todos. (PARANÁ, 2008, p. 60)
Como podemos observar, as DCEs prezam pela discussão e análise do
tema em suas diferentes dimensões, tendo em vista sua relação com o
cotidiano e sua utilização para uma compreensão mais crítica do mesmo. Por
esses e outros motivos, elaboramos um plano de unidade e uma unidade de
conteúdo que contempla atividades teórico-práticas sobre a indução
eletromagnética. Todas as atividades experimentais envolvidas foram
elaboradas com materiais de baixo custo e fácil acesso, uma vez que, nem
sempre, as escolas dispõem de laboratórios e equipamentos para as atividades
experimentais.
Para a elaboração desse material, tomamos como referencial teórico a
Psicologia Histórico-Cultural de Lev Semenovich Vygotsky e a Pedagogia
Histórico-Crítica de Dermeval Saviani.
Trata-se, neste momento, da problematização da realidade e da
aquisição – instrumentalização - dos conhecimentos teórico-práticos
necessários à compreensão dessa realidade, não mais de uma maneira
empírica, de senso comum, espontânea, mas científica e elaborada. Esse
passo inclui, também, o momento da catarse, momento em que há o efetivo
confronto entre aquilo que o aluno sabia (conhecimento cotidiano) e o que
aprendeu enquanto conhecimento científico pela mediação do educador no
processo de ensino-aprendizagem. Trata-se do momento de elevação da
compreensão crítica sobre a realidade. Segundo Vygotsky (2008):
“O momento de maior significado no curso do desenvolvimento intelectual, que dá origem às formas puramente humanas de inteligência prática e abstrata, acontece quando a fala e a atividade prática, então de duas linhas completamente independentes de desenvolvimento, convergem” (VYGOTSKY, 2000, p. 33).
21
O método de ensino da Pedagogia Histórico-Crítica visa estimular a
atividade e a iniciativa do professor e favorecer o diálogo dos alunos entre si e
com o professor, mas sem deixar de valorizar o diálogo com a cultura
acumulada historicamente. Da mesma forma, visa levar em conta os interesses
dos alunos, seus ritmos de aprendizagem e seu desenvolvimento psicológico
sem perder de vista a sistematização lógica dos conhecimentos, sua
ordenação e gradação para efeitos do processo de transmissão-assimilação
dos conteúdos cognitivos (GASPARIM e PETENUCCI, 2008).
Segundo Saviani (2008) a educação escolar implica em três partes:
“a) Identificação das formas mais desenvolvidas em que se expressa o saber objetivo produzido historicamente, reconhecendo as condições de sua produção e compreendendo as suas principais manifestações, bem como as tendências atuais de transformação; b) Conversão do saber objetivo em saber escolar, de modo que se torne assimilável pelos alunos no espaço e tempo escolares; c) Provimento dos meios necessários para que os alunos não apenas assimilem o saber objetivo enquanto resultado, mas aprendam o processo de sua produção, bem como as tendências de sua transformação” (SAVIANI, 2008, p. 09).
Com isto percebe-se a grande importância de valorizar o conhecimento
inicial do aluno, sua realidade objetiva. A própria psicologia que embasa a
Pedagogia Histórico-Crítica é a Teoria Histórico-Cultural de Vygotsky, onde o
homem é compreendido como um ser histórico, formado por meio de suas
relações com o mundo natural e social. Ele difere das outras espécies pela
capacidade de transformar a natureza pelo meio de seu trabalho, por meio de
instrumentos por ele criados e aperfeiçoados ao longo do desenvolvimento
histórico-humano. Eles são sempre mediados por outros conceitos; exercem
papel preponderante na aprendizagem escolar (VYGOTSKY, 2008).
Vygostky procura analisar a função mediadora presente nos
instrumentos elaborados para a realização da atividade humana. Ele comenta
sobre três níveis conceituais sobre o aprendizado – a Zona de
Desenvolvimento Real, a Zona de Desenvolvimento Proximal, e a Zona de
Desenvolvimento Potencial (ZDP) – sendo o real o que a criança traz de
informação para a escola, o seu conhecimento prévio, o senso comum. A
proximal é o momento em que o professor media o conhecimento com o aluno,
22
elevando assim o seu aprendizado para um nível superior (ZDP), aumentando
o seu potencial para o saber científico, segundo Vygotsky (2008):
“A zona de desenvolvimento proximal hoje, será o nível de desenvolvimento real amanhã – ou seja, aquilo que uma criança pode fazer com assistência hoje, ela será capaz de fazer sozinha amanhã” (VYGOTSKY, 2008, p. 113).
Cada estudante traz consigo conhecimentos, mesmo que de senso
comum, sua vivência social. Por este motivo, é muito importante trazer este
conhecimento para a sala aula, seja por questões prévias ou debates iniciais, a
fim de que seja possível conhecer a experiência e o nível de argumentação de
cada um. Esse diálogo com o aluno é essencial tanto para a discussão inicial
do conteúdo a ser abordado quanto para sua problematização, análise e
compreensão. Conforme relata Geraldo (2009):
“o desenvolvimento de qualidade do processo de ensino depende da delimitação e escolha de objetivos e conteúdos acessíveis, socialmente significativos e assumidos por professores e alunos: capazes de suscitar sua atividade e suas capacidades mentais, seu raciocínio e sua atividade prática de manipulação e reflexão, para que assimilem de forma significativa, consciente e ativa os conhecimentos, os valores e as atitudes educativas” (GERALDO, 2009, p. 146).
A participação ativa do estudante é necessária em todos os momentos
do processo pedagógico. No entanto, devemos nos preocupar com as
possíveis situações ocorridas durante as aulas, antecipadamente, para isto, é
de grande importância o planejamento de aula, com está preocupação,
buscamos como referencia os cinco passos da Pedagogia Histórico-Crítica, a
fim de preparar um sequencia de aula, descritas por Gasparin (2007):
A Prática Social Inicial do Conteúdo: o saber anterior é o ponto de
partida, onde o professor busca o conhecimento prévio dos
alunos, vivência cotidiana do conteúdo, por meio de perguntas e
discussões em sala de aula;
Problematização: é um elemento-chave na transição entre a
prática e a teoria, isto é, entre o fazer cotidiano e a cultura
elaborada. É o processo de busca, de investigação para
23
solucionar as questões em estudo, que o professor leva para a
sala de aula;
Instrumentalização: é o caminho pelo qual o conteúdo
sistematizado é posto à disposição dos alunos para que o
assimilem e o recriem, ou seja, são os recursos humanos, os
materiais utilizados;
Catarse: é a síntese do cotidiano e do científico, do teórico e do
prático a que o educando chegou, marcando sua nova posição
em relação ao conteúdo e à forma de sua construção social e sua
reconstrução na escola. É a avaliação do que o aluno aprendeu
do conteúdo;
Prática Social Final do Conteúdo: é a confirmação de que aquilo
que o educando somente conseguia realizar com a ajuda dos
outros agora o consegue sozinho. É a transposição do “senso
comum” do que já sabia ao “conhecimento científico” do que
aprendeu.
Reafirmando assim a importância do planejamento de aula, foi com base
nesses princípios que realizamos uma sequencia de atividades teórico-práticas
para o ensino do Eletromagnetismo, especificamente da Indução
Eletromagnética e Correntes de Foucault, uma vez que, como já discutimos,
este tópico de conteúdo é pouco tratado nas escolas públicas ou trabalhado,
em muitas situações, de maneira superficial.
Por ser o foco deste estudo, discutiremos este tópico de conteúdo no
item a seguir.
2.1 Indução Eletromagnética e Correntes de Foucault
Desde que o professor dinamarquês de Física Hans Christian Oersted
(1777 – 1851), em 1820, descobriu que uma corrente elétrica gera um campo
magnético, a simetria das relações entre o magnetismo e a eletricidade levou
Michael Faraday (1791 – 1867) a acreditar na proposição inversa: se há uma
corrente elétrica induzida na bobina, há também uma força eletromotriz
induzida, pois sem energia os portadores de carga não se movimentam,
(GASPAR, 2011).
24
Como é abordado por Gaspar (2011), o conceito de campo surgiu com a
observação de que um ímã alterava as propriedades da região próxima a ele.
Esse efeito produzido nas vizinhanças do imã que foi chamada de campo
magnético. A descoberta de Hans Christian Orsted, publicada em artigo datado
de 21 de junho de 1820, desencadeou um grande interesse na comunidade
científica, surgindo assim, estudos que buscavam relacionar o campo
magnético com outros ramos da Física, como por exemplo, a eletricidade.
A abordagem histórica nos mostra um pouco das contribuições que o
pesquisador Michael Faraday, físico e químico inglês fez ao longo de seus
estudos. Na Física contribuiu com os estudos do Eletromagnetismo, verificando
que a variação do fluxo magnético gerava uma corrente induzida.
Pouco depois de Faraday descobrir a lei da indução, Heinrich
Friedrich Lenz propôs uma regra segundo Halliday e Resnick (2012):
“A corrente induzida em uma espira tem um sentido tal que o campo magnético produzido pela corrente se opõe a variação de campo magnético que induz a corrente” (HALLIDAY e RESNICK, 2012, p. 251).
Assim quando um ímã se aproxima de uma espira, surge uma
corrente induzida na espira. Essa corrente faz surgir um campo magnético, cujo
sentido pode ser determinado pela regra da mão direita. Ao aplicar essa regra
verifica-se que o campo magnético induzindo pela espira tem sentido oposto ao
campo magnético do ímã na aproximação. Uma visão simplificada do problema
pode ser obtida imaginando que a espira possui um comportamento análogo ao
de um magneto com polaridade invertida ao do imã, oferecendo dessa maneira
uma força repulsiva durante a aproximação.
Para exemplificar o sentido do campo magnético gerado por uma
corrente elétrica, torna-se conveniente o uso da regra da mão direita. Por
exemplo, considerando um fio condutor retilíneo, alinhando o polegar no
sentido da corrente elétrica, os demais dedos da mão direita indicarão o
sentido do campo magnético. Também podemos utilizar a regra da mão direita
invertendo o seu “ajuste”, como por exemplo, quando tratamos o campo
magnético gerado no interior de uma espira. Neste caso, alinhando o dedo
polegar no sentido da corrente elétrica, os demais dedos da mão direita
25
indicarão o sentido do campo magnético2. Cabe citar que existem muitas
regras prática que descrevem este fenômeno, sendo que uma das mais
comuns está representada na Figura 1.
Figura 01: O condutor retilíneo percorrido por uma corrente de intensidade i gera um campo magnético
circular com centro próprio condutor, cujo vetor campo magnético tem direção e sentido dados pela
regra da mão direita Modificado da Fonte: Portal Uol Educação
Por outro lado, se fizermos o contrário, ao afastarmos o ímã da bobina
perceberemos que a corrente induzida apresenta sentido contrário ao da
situação anterior e ao utilizar novamente a regra da mão direita é possível
perceber que o campo magnético criado pela corrente induzida na espira tem o
mesmo sentido do campo magnético do ímã. A Figura 2 apresenta
esquematicamente a Lei de Lenz, ilustrando os casos de aproximação e
afastamento do imã.
2 De uma maneira geral, o vetor campo magnético sempre poderá ser obtido por meio da Lei de Biot-
Savart.
26
Figura 2: Demonstração da relação entre a corrente elétrica e a variação do fluxo magnético. Na imagem (a) o ímã está se aproximando da espira, gerando uma corrente induzida no
sentido anti-horário que gera um campo magnético contrário, imagem (b), dificultando a entrada do ímã. Uma vez que o ímã entrou na bobina, desejamos que ele se afaste, como
representado na imagem (c), a variação do fluxo magnético produz uma corrente induzida no sentido horário, gerando um campo magnético oposto ao do ímã, impedindo-o de sair, como
mostra a imagem (d). Fonte: Serway (2006)
Uma vez que o movimento do imã cessa, a corrente elétrica na espira
se torna nula, indicando que a sua existência está condicionada à variação de
fluxo magnético, gerada pelo movimento do imã.
Essa variação de fluxo e tempo está representada a partir de
variações infinitesimais do fluxo magnético, pois em muitos casos o fluxo
magnético não varia linearmente com o tempo, necessitando dessa maneira o
uso de derivadas para a determinação da Força Eletromotriz.
O fluxo magnético, está relacionado ao número de linhas de campo
magnético que atravessam determinada superfície de área (A). Como mostra a
Figura 03.
Figura 03: Linhas de campo magnético atravessando uma superfície plana.
Fonte: Portal Mundo Educação Bol-Uol
27
Desta forma, podemos dizer que o número de linhas de campo que
atravessam uma superfície plana, de área A, colocada perpendicularmente a
um campo magnético, é proporcional ao produto do campo magnético pela
área da superfície.
As Equações 1 e 2, demonstram a relação entre o fluxo magnético e a
força eletromotriz, a partir das variações infinitesimais diferentes das
encontradas em livros de Ensino Médio, representada por variações delta. A
Equação 1 é denominada de lei de Faraday, representada matematicamente:
(1)
Por meio da Equação 2 podemos obter o fluxo magnético que
atravessa a espira:
(2)
Considerando um caso genérico, onde o campo magnético B faz um
ângulo θ com a normal de uma espira de área A, devemos utilizar apenas a
projeção da área na direção do campo magnético. Dessa maneira, o fluxo
magnético pode ser obtido por meio da Equação 3. Portanto, temos que:
(3)
Neste cenário, uma variação de fluxo magnético induz uma f.e.m. (força
eletromotriz) no corpo, que determina, por sua vez, o aparecimento de uma
corrente elétrica no volume do disco submetido à essa variação. Essa corrente
induzida gera um novo campo magnético que se opõe ao campo magnético
indutor (lei de Lenz).
⟹ Força Eletromotriz Induzida, unidade de medida é Volts (V);
dФ ⟹ Variação do fluxo, unidade de medida é Weber (Wb);
dt ⟹ Variação do tempo, unidade de medida é segundos (s);
Ф ⟹ Fluxo magnético, unidade de medida é Weber (Wb);
B ⟹ Campo magnético, unidade de medida é Tesla (T);
A ⟹ Área, unidade de medida é metros quadrados (m2).
28
Um modo prático de representar graficamente o campo magnético
relacionado à Equação 1 ocorre por meio do uso de linhas de campo
magnético. A variação de número de linhas de campo magnético, ou seja, a
variação de fluxo magnético no interior de uma bobina gera o aparecimento de
uma força eletromotriz induzida. Neste sentido, usando de um rigor matemático
mais simplista, podemos representar a Lei de Faraday conforme encontrada
nos livros de Ensino Médio sempre que a dependência entre o fluxo magnético
e o tempo for linear, como mostrado pela Equação 4.
(4)
Deve-se observar, que o nome força eletromotriz é mantido por questões
históricas. Essa grandeza não representa fisicamente uma força e sim, uma
diferença de potencial elétrico.
De acordo com a Lei de Lenz, quando o ímã é aproximado ou afastado
da espira, uma força magnética oferece resistência ao movimento e, portanto, é
preciso realizar um trabalho positivo para executar o movimento. Ao mesmo
tempo, uma energia térmica é produzida na espira por causa da passagem da
corrente elétrica pelos fios da bobina, que apresentam uma pequena
resistência elétrica. A energia transferida ao ímã pela força aplicada acaba
sendo transformada em energia térmica. Uma abordagem mais completa deste
fenômeno deve também considerar a energia irradiada pelas espiras na forma
de ondas eletromagnéticas durante a indução (usualmente essa energia é
pequena e por isso pode ser desprezada). Quanto mais rápido o movimento do
ímã, mais trabalho é realizado em um dado intervalo de tempo e maior será a
potência convertida em energia elétrica pelo dispositivo. A Figura 4 ilustra a
indução de correntes por meio de um imã, como na passagem do ímã na
bobina descrito anteriormente.
29
Figura 4: Esquema da Lei de Lenz, no momento em que o ímã se aproxima da bobina.
Fonte: Canal Youtube – Lei de Lenz
É bem sabido que quando um ímã é movimentado nas imediações de
uma espira condutora a Lei de Faraday prediz a ocorrência de uma força
eletromotriz induzida na espira. A força eletromotriz induzida é consequência
da variação do fluxo magnético produzido pelo magneto que se aproxima ou se
afasta da espira. A existência de uma força eletromotriz sobre um circuito
condutor fechado (a espira) causa o aparecimento de uma corrente elétrica e,
devido à resistência elétrica da espira, ocorre dissipação de energia,
(SILVEIRA; LEVIN e RIZZATO, 2007).
Neste contexto, a energia cinética do imã, convertida em energia térmica
é precedida por uma força dissipativa com sentido oposta ao movimento. Esta
força de frenagem no ímã é maior se a velocidade dele em relação à espira for
maior, pois, de acordo com a Lei de Faraday, o valor da força eletromotriz
induzida na espira depende da rapidez com a qual o fluxo magnético varia
através da espira. Essa afirmação pode ser visualizada com mais facilidade por
meio do simulador que está representado na Figura 5, e pode ser encontrado
facilmente no site de simulações interativas em ciências e matemática, do
programa PHET da universidade do Colorado3.
Figura 5: Imagem do simulador da Lei de Faraday retirado do PHET
3 Disponível em: https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/legacy/faradays-law
30
Por outro lado, quanto maior for a força eletromotriz, tanto maior será a
corrente induzida. Consequentemente, como a força magnética de frenagem
depende da corrente induzida, a força aumenta quando cresce a velocidade do
ímã em relação à espira (este comportamento é análogo ao que acontece
quando um objeto se move através de fluído viscoso) (SILVEIRA; LEVIN e
RIZZATO, 2007). Neste sentido, a Figura 6 representa um magneto se
deslocando no interior de um tubo condutor, no caso um tubo de cobre.
Podemos imaginar o tubo condutor como sendo constituído pela justaposição
de muitas espiras condutoras das quais algumas estão indicadas na figura.
Figura 6: Demonstração da queda do ímã Fonte: Adaptada de (SILVEIRA; LEVIN e RIZZATO, 2007).
Como existe variação do fluxo magnético através do tubo, que pode ser
comparado como uma série de espiras empilhadas (a variação está em
decorrência do movimento de queda do magneto), surgem correntes induzidas
ao longo da circunferência do tubo, que por sua vez, geram forças magnéticas
que oferecem resistência à queda do ímã. Conforme aumenta a velocidade de
queda do magneto, cresce também a força magnética obtida a partir da
interação do campo magnético gerado pelas correntes induzidas no cano e o
campo magnético do imã. Logo após o início da queda do imã, é atingida a
velocidade terminal, a partir da qual o movimento vertical apresenta velocidade
constante, ou seja, a força magnética apresenta a mesma intensidade da força
gravitacional (força peso) exercida sobre o ímã. Neste caso toda a potência
desenvolvida pelo trabalho da força peso será igual ao módulo da potência
associada às correntes induzidas no cano. Sendo assim, o magneto que cai
com velocidade constante, pode, no entanto, ser utilizado até mesmo para os
estudos de cinemática, movimento retilíneo uniforme – MRU. Outro fato
31
considerável é que converte energia potencial gravitacional integralmente em
calor devido ao efeito Joule relacionado com as correntes induzidas no tubo4,
conforme a Equação 7.
Figura 7: Demonstração da Potência da variação do fluxo. Fonte: adaptado de (SILVEIRA; LEVIN e RIZZATO, 2007).
A corrente elétrica se estabelece em um condutor quando nele for
aplicado uma diferença de potencial (ddp), em consequência de um campo
elétrico. Este campo atua sobre as cargas (elétrons) presentes nos materiais
condutores. Os condutores, por sua vez, definem uma classe de materiais que
possuem parte de seus elétrons fracamente ligados aos átomos, possibilitando
com que baixos campos promovam o seu movimento, dando origem ao
movimento ordenado dos elétrons, que chamamos de corrente elétrica.
A questão era saber como isso poderia ser feito, o que acabou sendo
descoberto pelo próprio Faraday, em 1831, quando percebeu que o
aparecimento da corrente elétrica em uma bobina ocorria devido a uma
variação do campo magnético, que aparecia quando um imã era aproximado
ou afastado da mesma e desaparecia quando o movimento era cessado,
conforme mostra a Figura 8.
4 Texto modificado do artigo ‘A frenagem eletromagnética de um ímã que cai
+’ publicado no
Caderno Brasileiro de Ensino de Física, Florianópolis, v. 24, n.3: p. 295-318, dez. 2007,
autores: Silveira, F. L; Levin, Y; Rizzato, F. B; todos do Instituto de Física – UFRGS.
32
Figura 8: Esquema do experimento de Faraday
Fonte: Portal Física2Renedo
Qualquer que seja a forma como a corrente é induzida, parte da energia
sempre é transformada em energia térmica durante o processo (a menos que a
espira seja supercondutora) por causa da resistência elétrica do material de
que é feita a bobina (MOURA, 2011).
O movimento do ímã induz na espira uma força eletromotriz que geram
correntes elétricas. Essas correntes induzidas geram campos magnéticos que
se opõem ao campo do imã. A Figura 9 apresenta o perfil do campo magnético
gerado por correntes que percorrem condutores com diferentes formatos.
Figura 9: Representação do sentido do campo magnético gerado pela passagem da corrente elétrica em condutores com diferentes formatos.
Fonte: Portal Elettrotecnica
Relacionando a Regra da mão direita com a Lei de Faraday,
entendemos que o sentido da corrente em um condutor deve ser tal que gere
um fluxo magnético oposto à variação que a criou.
A partir das descobertas de Faraday e Lenz, por volta de 1855 Jean
Bernard Leon Foucault observou que quando um disco de cobre era colocado
entre os pólos de um magneto era preciso mais força para fazê-lo girar do que
a)
33
quando não havia o magneto. Esse fato ocorre devido ao surgimento de
correntes parasitas no interior do metal produzidas pela variação do fluxo
magnético em decorrência do movimento do disco, que ficaram conhecidas
como correntes de Foucault (SILVA, 2012)
Para entender o que são as correntes de Foucault, é necessário
lembrar-se de três fatos muito importantes na História do Eletromagnetismo. Os
três fatos ocorreram no século XIX. No primeiro, o professor dinamarquês Hans
Christian Oersted conseguiu comprovar, a partir dos seus experimentos, que
quando uma corrente elétrica passava ao longo de um fio aparecia um campo
magnético em seu entorno. Quase que imediatamente, o físico francês Andrè
Marie Ampère, verificou a interação entre a corrente e um imã, e por último,
Michael Faraday esclarece que a força eletromotriz induzida numa bobina é
diretamente proporcional à variação do fluxo magnético nela e inversamente
proporcional ao intervalo de tempo em que essa variação ocorre, (PAULA
SILVA, 2011).
O francês Jean Bernard Léon Foucault (1819 - 1868) desde jovem
manifestou vivo interesse pela Física experimental, abandonando a prática da
medicina logo após a conclusão do curso. Em 1850, Foucault determinou
experimentalmente a velocidade da luz. Em 1852, inventou o giroscópio. Deve-
se a ele a descoberta das correntes de indução nos metais, gerado a partir da
variação do fluxo magnético, seja por meio da movimentação dos ímãs, como
já falado anteriormente, em função da movimentação do disco, ocorre a
variação do fluxo gerando as Correntes de Foucault.
Até o momento, analisamos casos nos quais as correntes elétricas
induzidas em um circuito fixo, por exemplo, em uma espira, quando exposto a
um fluxo magnético variável. O que Foucault verificou e que essa variação de
fluxo pode ser também gerada em uma superfície condutora exposta a um
campo magnético constante, desde que exista movimento entre a superfície e
a fonte de campo, conforme representado na Figura 10.
34
Figura 10: Esquema de um disco paramagnético (alumínio) girando entre os pólos dos magnetos.
Fonte: Portal Estudo Prático
Partindo da ideia do experimento de Foucault, ao girar o disco em áreas
que não estavam expostas ao campo magnético passarão a estar expostas.
Em consequência as correntes de Foucault, nessas áreas que terão sentido
dado pela Lei de Lenz. A Figura 11 que segue abaixo, apresenta mais
detalhadamente as relações existentes entre o campo, a corrente e a força
magnética no experimento de Foucault.
Figura 11: Esquema simplificado ilustrando o surgimento de uma força contrária ao movimento do disco devido à presença de correntes de Foucault.
Fonte: Souza, R. D (2005)
Uma das consequências do aparecimento das correntes de Foucault é a
dissipação de energia por efeito Joule, causando um grande aumento de
temperatura. O aumento da temperatura, por exemplo, permite que estas
35
correntes sejam utilizadas como fonte de calor em um forno ou fogão de
indução.
No entanto, em alguns casos (como nos circuitos eletrônicos), a
dissipação por efeito Joule é um resultado bastante indesejável, porque pode
danificar os seus componentes. Para diminuir ou evitar tais consequências,
utiliza-se frequentemente materiais laminados, formados por associações de
placas isoladas entre si, pois elas reduzem a intensidade da Correntes de
Foucault evitando o aquecimento, como exemplo dos transformadores.
Abaixo apresentamos um equacionamento que auxilia a sistematizar a
compreensão dos efeitos relacionados às correntes de Foucault induzidas no
disco. Sempre que existe uma variação de fluxo magnético em uma região do
disco, surge também uma força eletromotriz induzida, conforme descreve a lei
de Faraday, já descrita na Equação 3.
(3)
Essa força eletromotriz está relacionada com a corrente elétrica por meio
da 1ª Lei de Ohm, dada por:
(8)
Onde R é a resistência medida em ohms [] e i é a corrente elétrica
medida em amperes [A]. Neste contexto, em decorrência da existência de uma
corrente elétrica em uma região onde existe campo, é gerada uma força,
também conhecida como força de Lorentz, dada pela Equação 9:
(9)
(10)
Aonde F é a força em newtons [N], i é a corrente, L [m] é o comprimento
do fio ou da região percorrida pela corrente que sente a influência do campo
magnético, B é o campo e θ define o ângulo entre a corrente e o campo
36
magnético. Esta força é sempre oposta ao movimento e por esse motivo, pode
ser feita uma analogia entre ela e a força de atrito. Além do mais, assim como a
força de atrito, a força de Lorentz é uma força dissipativa, ou seja, o trabalho
relacionado a essa força reduz a energia mecânica do sistema, sendo
convertido integralmente em calor, causando o aquecimento do disco.
Analisando a Figura 12, podemos entender melhor como é obtido o
sentido da força magnética usando a regra da mão direita, que neste caso está
relacionada com o sentido da corrente e do campo magnético5. Inicialmente,
posicionamos a palma da mão direita na direção do primeiro vetor que compõe
a sentença, neste caso, o segmento de fio que orientado na direção da
corrente elétrica. Em seguida, a palma da mão direita deve ser rotacionada por
um ângulo menor que 180 graus até atingir o segundo vetor da sentença, neste
caso o campo magnético. Ao terminar essa rotação o polegar indicará a
direção e o sentido da força magnética.
a) b)
Figura 12: Representação da Regra da mão Direita, aplicada à (a) corrente elétrica e ao (b) Campo
Magnético.
Fonte: Halliday (8ª Edição), modificada.
Retomando o experimento realizado por Foucault, podemos associar à
força magnética que atua no disco o trabalho, que por sua vez, pode ser
relacionado com a potência dissipada, dessa forma, a potência (P) dissipada
pela passagem da corrente elétrica em um fio (i), está relacionada com a
resistência elétrica (R) conforme as Equações (11) e (12), descritas logo
abaixo:
5 A regra da mão direita sempre pode ser usada para obter a direção de um vetor calculado a partir de um
produto vetorial.
37
(11)
(12)
Uma vez que essa potência dissipada pode ser diretamente proporcional
ao quadrado da força eletromotriz ( ) e inversamente proporcional à resistência
do material R. Lembrando que a unidade de medida da potência é o trabalho
realizado inverso ao tempo (J/s), mais conhecida como Watts (W).
Analisando o movimento do disco, que gira com parte de sua área
exposta a um campo magnético de um imã aplicado de maneira perpendicular
ao plano do disco, podemos definir uma potência relacionada ao trabalho
produzido pela força de Lorentz proveniente da interação da corrente induzida
com o campo magnético gerado pelo imã. Considerando o tempo na qual a
potencia atuou no sistema podemos estimar a energia dissipada na forma de
calor no disco.
Dietrich, Chabu e Cardoso (2001), em seus estudos sobre freios
magnéticos abordam o fato das correntes parasitas reduzir a eficiência dos
dispositivos, pois o fenômeno converte a energia mecânica de movimento
(linear ou rotativo) em calor. A interação entre a corrente induzida e o campo
magnético que a gerou provoca o aparecimento de uma força de repulsão entre
ambos.
O aquecimento por indução depende de dois mecanismos de dissipação
de energia para fins de aquecimento. São as perdas de energia devido ao
efeito Joule e as perdas de energia associadas à histerese magnética. O efeito
Joule consiste no único mecanismo de geração de calor em materiais não
magnéticos (por exemplo, alumínio, cobre, aços inoxidáveis). Já o segundo
mecanismo, a histerese magnética, é um efeito adicional associado aos
materiais magnéticos, relacionado à energia necessária para inverter a
orientação dos momentos magnéticos do material, o que contribui também para
a geração de calor produzida na indução (ZINN e SEMIANTIN, 1988).
De maneira prejudicial, como já falado anteriormente a histerese
magnética é um fator agravante para os transformadores, por ser um
dispositivo elétrico que permite modificar a amplitude de tensões e correntes.
38
De funcionamento bem simples, o transformador é um dispositivo que opera
com corrente alternada, baseado nos princípios eletromagnéticos da Lei de
Faraday e da Lei de Lenz.
O transformador de tensão é constituído por uma peça de ferro,
denominada de núcleo do transformador, ao redor do qual são enroladas duas
bobinas ou mais. Em uma dessas bobinas é aplicada a tensão primária (Up)
que se deseja transformar, ou seja, aumentar ou diminuir. Essa bobina é
chamada de bobina primária ou enrolamento primário e possui um número
específico de espiras (Np). Nos terminais da outra bobina - a bobina secundária
- que conta com um número diferente de espiras (Ns), a tensão é transformada
passando a apresentar um valor diferente - tensão secundária (Us) - que pode
ser maior ou menor que Up, dependendo da relação entre o número de espiras
Np e Ns.
A Figura 13 ilustra um transformador que funciona do seguinte modo: ao
aplicar uma tensão alternada no enrolamento primário surgirá uma corrente (ip),
também alternada, que percorrerá todo o enrolamento. Através dessa corrente
é gerado um fluxo magnético no núcleo de ferro, que varia com o tempo, pois a
corrente é alternada6. Esse fluxo magnético se propaga através do núcleo
passando pela bobina secundária, onde induz uma força eletromotriz (tensão) e
por consequência uma corrente (is) diferente daquelas verificadas no
enrolamento primário, que dependerão da relação entre Np e Ns.
Figura 13: Esquema de um transformador Fonte: Portal Electricidade, Electromagnetismo y Medidas
Em um transformador ideal, os efeitos relacionados às perdas de
energia são desprezados, e sendo assim, a mesma potência que é fornecida
6 No Brasil, a tensão e as correntes distribuídas pelas concessionárias é alternada e possui frequência de
60 Hz, ou seja, completa 60 ciclos de oscilação a cada segundo.
39
ao enrolamento primário, também é drenada no enrolamento secundário. No
entanto, em um transformador real existem perdas de energia. Podemos
atribuir essas perdas de energia majoritariamente à três motivos; à resistência
dos fios dos enrolamentos, às correntes de Foucault que percorrem o núcleo e
à energia associada à histerese de magnetização do núcleo.
Embora fios de cobre - geralmente usados nos enrolamentos dos
transformadores - apresentem baixa resistência elétrica, essa resistência passa
a não ser mais desprezível quando consideramos que as bobinas geralmente
possuem um numero bem elevado de voltas. Dessa forma, a potência (P)
dissipada pela passagem da corrente elétrica em um fio (i), está relacionada
com a resistência elétrica (R) conforme a Equação 13 abaixo:
(13)
Como o núcleo do transformador é feito a partir de um metal, é natural
que nesse metal também surja correntes de Foucault, representado na Figura
14, em decorrência do fluxo magnético induzido pela bobina primária. Essas
correntes também auxiliam a diminuir a eficiência do transformador,
aumentando o calor gerado durante seu funcionamento. No entanto, visando
diminuir as perdas de energia pelas correntes de Foucault, medidas como
produzir núcleos compostos por várias laminas de ferro isoladas entre si são
adotadas na fabricação dos transformadores comerciais. Esses núcleos
laminados restringem o caminho das correntes de Foucault, minimizando a
dissipação de energia, conforme a figura acima.
Figura 14: Representação das correntes de Foucault Fonte: Portal UFRGS – Instituto de Física
Por fim, o terceiro fator que acarreta perdas de energia está intimamente
ligado à natureza do material magnético do qual o núcleo é feito. É importante
40
lembrar que para conduzir as linhas de campo geradas em uma bobina para a
outra, necessitamos de materiais onde os momentos magnéticos possam se
alinhar com o campo gerado pela bobina. Os momentos magnéticos,
mostrados na Figura 15, podem ser compreendidos em primeira aproximação
como pequenos imãs associados a cada átomo de material. Nos materiais ditos
ferromagnéticos esses momentos magnéticos se alinham com o campo
magnético de modo a reforçar o campo no interior do material. Porém como o
fluxo magnético no núcleo, gerado na bobina primária, é alternado, ou seja,
varia com o tempo, é natural pensar que ora os momentos magnéticos estão
orientados majoritariamente num sentido, ora no sentido oposto. Sendo assim,
para variar a orientação dos momentos magnéticos de um material, também é
necessária uma energia, que também é dissipada na forma de calor,
contribuindo com o aquecimento do transformador durante seu funcionamento.
Figura 15: Esquema simplificado mostrando o alinhamento dos momentos magnéticos de um material ferromagnético.
Fonte: Halliday (7ª Edição)
É importante notar que um transformador só funciona quando o mesmo
é alimentado com tensão alternada, pois é necessária a variação do fluxo
magnético para induzir tensão na bobina secundária do transformador.
Transformadores, como o esquema representado na Figura 16, são
utilizados para reduzir ou elevar a tensão no secundário, mas independente de
seu uso sempre oferecem isolação entre o enrolamento primário e o
secundário. São particularmente utilizados em equipamentos nos quais há a
interação humana, garantindo assim maior segurança ao usuário.
41
Figura 16: Representação do fluxo magnético no transformador em um dado instante de tempo.
Fonte: Portal Sigma Transformadores
Desconsiderando-se as perdas, num transformador ideal são válidas as
relações:
(14)
(15)
(3)
Onde e representam a variação de fluxo magnético de cada
espira do enrolamento primário e do secundário respectivamente, chegando na
Equação 16:
(16)
Neste contexto, o núcleo de ferro de um transformador atua como um
condutor de linhas de campo, por isso só realiza a transformação da
intensidade da corrente elétrica em corrente alternada, condição necessária
para que haja variação fluxo magnético.
Torna-se interessante lembrar que diferentes autores usam notações
diferentes para tratar a grandeza Física diferença de potencial. Neste contexto,
42
f.e.m. (força eletromotriz ( ), tensão (U) ou voltagem (V), apresentam
significado análogo e podem ser compreendidas como a diferença de potencial
em cada uma das bobinas. Dessa forma abaixo segue a Equação 17 geral do
transformador ideal:
(17)
Conforme a Equação 17, quanto maior for o número de espiras no
secundário em relação ao primário, maior será a tensão obtida no secundário
em relação a alimentação do transformador.
Neste caso, como o transformador tratado no equacionamento acima é
ideal – não oferece perdas resistivas - a energia fornecida ao enrolamento
primário é a mesma que é drenada no secundário. Dessa forma, a potência na
bobina primária é igual ao da secundária, conforme apresentado no
equacionamento abaixo.
(18)
(19)
Sendo assim, a Equação 20 apresenta o comportamento da corrente (i)
em um transformador ideal. Note que quanto maior for o número de espiras (N)
no secundário em relação ao primário, menor será a corrente elétrica obtida no
secundário.
A partir da discussão acima realizada, podemos compreender um pouco
mais do contexto histórico e científico que pautou o desenvolvimento das
origens do eletromagnetismo, mais especificamente da indução
eletromagnética, tão presente na realidade cotidiana.
(20)
43
3. A OPÇÃO METODOLÓGICA E SEUS PROCEDIMENTOS
Considerando a natureza e os objetivos do estudo, optamos por
desenvolver uma pesquisa de abordagem qualitativa. De acordo com Godoy
(1995), existem diferenças quanto à forma, ao método e aos objetivos
propostos em uma pesquisa que opta por esta abordagem. Segundo o autor,
na pesquisa qualitativa o foco deve ser a compreensão do fenômeno, o qual
deve ser observado minuciosamente pelo pesquisador. Trata-se de uma ação
fundamental na pesquisa qualitativa, uma vez que, quanto mais o pesquisador
se apropriar de detalhes, melhor se tornará a compreensão da experiência que
foi compartilhada pelos sujeitos envolvidos.
Esta pesquisa foi desenvolvida em três etapas. A primeira se delineou
no âmbito de uma revisão bibliográfica, a qual objetivou o aprofundamento
teórico sobre o tema, bem como a possível redefinição dos objetivos do estudo.
Nesta etapa as obras pertinentes ao tema central da pesquisa foram
estudados, a fim de obtermos dados atuais e relevantes sobre o assunto que
nos auxiliaram na compreensão do objeto de estudo e em sua análise.
A segunda etapa configurou-se na construção dos dados, a qual visou a
análise minuciosa de todas as fontes que serviriam de suporte para a
investigação proposta. Para alcançar os objetivos propostos, optamos por
desenvolver, em um primeiro momento, uma análise documental de quatro
livros didáticos de Física utilizados no terceiro ano do ensino médio, tendo
como foco de análise tópicos de Eletromagnetismo: Indução Eletromagnética e
correntes de Foucault. Trata-se de livros escolhidos por meio do Programa
Nacional do Livro Didático (PNLD)7, realizado no ano de 2014 por professores
de um dos Núcleos Regionais de Educação do interior do Estado do Paraná.
Para preservar a identidade dos autores dos livros, utilizamos uma
sequência aleatória para cada edição: LA (Livro A), LB (Livro B), LC (Livro C) e
7 O Programa tem por objetivo prover as escolas públicas de ensino fundamental e médio com livros
didáticos e acervos de obras literárias, obras complementares e dicionários. O PNLD é executado em
ciclos trienais alternados. Assim, a cada ano o FNDE adquire e distribui livros para todos os alunos de
determinada etapa de ensino e repõe e complementa os livros reutilizáveis para outras etapas. O PNLD é
executado em ciclos trienais alternados. Assim, a cada ano o FNDE adquire e distribui livros para todos
os alunos de determinada etapa de ensino e repõe e complementa os livros reutilizáveis para outras etapas.
Informações disponíveis em: <http://www.fnde.gov.br/programas/livro-didatico>. Acesso em 22/04/2016.
44
LD (Livro D). A análise dos livros foi realizada com base em um roteiro
norteador (Apêndice A), adaptado de Fracalanza e Neto (2006).
Incialmente, fizemos a identificação do material - área, autores, título,
editora, ano, conteúdo analisado. Em seguida, analisamos os descritores:
adequação do título ao conteúdo, articulação entre texto e imagem, referências
bibliográficas, adequação do texto ao conteúdo, exemplos utilizados, conteúdo,
atividades propostas e o desenvolvimento de capacidades de aprendizagem,
bem como quais as dimensões do conteúdo são abordadas nos
textos/imagens/ilustrações/gráficos/tabelas. A análise pautou-se apenas no
conteúdo de Eletromagnetismo, mais especificamente no tópico de indução
eletromagnética.
Com esta análise, iniciamos a terceira etapa, identificamos as
contribuições e algumas limitações e lacunas nos livros didáticos e, a partir
dessas observações elaboramos uma proposta didático-pedagógica que visa
configurar-se como uma alternativa de ensino diferenciada para o
desenvolvimento desse conteúdo em sala de aula, tendo em vista sua
sistematização, problematização e contextualização em seus aspectos teóricos
e práticos e em sua relação com a prática social mais ampla.
Para a elaboração dessa proposta, tomamos como base teórica a
Pedagogia Histórico-Crítica, por compreendermos a importância dessa teoria
para a formação crítica dos estudantes.
Assim, foi elaborado um Plano de Unidade para sete horas/aula sobre
Indução Eletromagnética e Correntes de Foucault, o qual foi desenvolvido em
duas turmas do Terceiro ano do Ensino Médio.
A escolha das escolas para o desenvolvimento do produto educacional
ficou a critério da professora-pesquisadora, pois a mesma possui várias turmas
no município de Goioerê, interior do Estado do Paraná. Considerando a
importância da análise do processo educativo como fenômeno concreto – ou
seja, tal como ele se dá efetivamente no interior da sala de aula -, e tendo
como objetivo conhecer diferentes contextos formativos, optamos por
desenvolver o trabalho em duas turmas de terceiro ano do ensino médio de
dois colégios. Assim, foi escolhida a turma do Terceiro ano A, do período
matutino, do Colégio Estadual Duque de Caxias, e a turma do Terceiro ano D,
do período noturno, do Colégio Estadual Polivalente de Goioerê. Ambas são
45
escolas de porte grande, pertencentes ao Núcleo Regional de Educação de
Goioerê - Paraná.
Primeiramente, fizemos contato com a direção e equipe pedagógica do
Colégio e explicitamos a intenção da pesquisa. Pronta e abertamente
concordaram com a proposta e se dispuseram a nos ajudar no que fosse
possível, inclusive com o número de aulas que fossem necessárias para o
desenvolvimento do trabalho. Com a aprovação da equipe fomos conversar
com os alunos que, de imediato, concordaram com o projeto. Assim, mediante
a concordância de todos, inclusive com a assinatura do “Termo de
Consentimento Livre e Esclarecido” (Apêndice B) lido e assinado por cada um,
iniciamos efetivamente a construção dos dados.
Para a realização das atividades previstas, os alunos receberam
números aleatórios para identifica-los (A01, A02, etc.), a fim de que
pudéssemos preservar sua identidade. Como o estudo ocorreu em duas
escolas, iremos nos referir ao A01 do Colégio Estadual Polivalente de Goioerê -
CEPG ou Colégio Estadual Duque de Caxias - CEDUC. Para o
desenvolvimento das atividades teórico-experimentais e do questionário final,
os alunos foram organizados em duplas8, uma vez que, baseados na
Psicologia Histórico-Cultural (VIGOTSKI, 2008), consideramos que a
internalização das práticas culturais, que constituem o desenvolvimento
humano, ocorrem na passagem de ações realizadas no plano social
(interpsicológico) para ações internalizadas ou intramentais (intrapsicológico).
Assim, partimos do princípio de que o aprendizado ocorre por meio das
relações interpessoais, da troca de ideias e de experiências, da discussão, do
debate, da confrontação ativa e cooperativa de compreensões variadas a
respeito de uma dada situação.
Em um primeiro momento, foi elaborado o “Plano de Unidade” também
chamado de “Plano de Aula” (Apêndice D), tendo como base os princípios e
pressupostos que fundamentam a Pedagogia Histórico-Crítica (SAVIANI e
GASPARIN).
Tendo todas as propostas idealizadas aplicamos nosso produto
educacional a um grupo de professores do ensino médio, antes de iniciarmos
8 Assim como fizemos com as atividades individuais, as duplas foram identificados com códigos
(D01, D02, etc.), a fim preservar sua identidade.
46
as aulas, contudo, o tempo foi menor a fim de obtermos resultados prévios e
sugestões para a montagem da sequencia didática final.
Uma semana depois iniciamos a sequência com os alunos a partir
dessas dimensões e buscamos proporcionar questionamentos que visassem à
análise crítica das influências do Eletromagnetismo na construção e
compreensão de conceitos relacionados ao tema de Indução Eletromagnética e
correntes de Foucault.
Inicialmente aplicamos o questionário como prática social inicial, a fim de
buscarmos o conhecimento prévio dos alunos sobre o Eletromagnetismo,
especificamente Indução Eletromagnética e correntes de Foucault. O
questionário inicial (Apêndice C) desenvolvido nesse primeiro momento de
forma individual. Após esse diagnóstico, iniciamos as aulas téorico-práticas nos
laboratórios de ciências, uma vez que os dois colégios os possuem. No
entanto, o professor que se interessar por nosso produto educacional poderá
realizar tais atividades também em sala de aula. Foram desenvolvidas ao todo
sete aulas sobre Indução Eletromagnética e correntes de Foucault, as quais
serão discutidas detalhadamente no próximo capítulo.
Na última aula, realizamos outro questionário descritivo final da
pesquisa: o questionário final (Apêndice C) respondido em duplas pelos alunos
- com a finalidade de observar a compreensão do conteúdo pelos alunos após
a finalização da intervenção.
Além disso, gravamos áudios de algumas aulas a fim de que
pudéssemos enriquecer nossos dados. Sobre o cuidado em registrar todas as
informações pertinentes durante o desenvolvimento da pesquisa, Lüdke e
André (2014) destacam que:
“Para se realizar uma pesquisa é preciso promover o confronto entre os dados, as evidências, as informações coletadas sobre determinado assunto e o conhecimento teórico construído a respeito dele” (LUDKE E ANDRÉ, 2014, p. 2).
É importante ressaltar que a atividade desenvolvida - com os alunos das
duas escolas públicas - teve adequações no conteúdo programático anual, pois
o conteúdo de Eletromagnetismo geralmente é abordado ao final do ano letivo.
No entanto, foi necessário a mudança de calendário, pois houve entre os
meses de abril e junho do ano de 2015 a greve dos professores. Por esses e
outros motivos, foi necessário antecipar o conteúdo para o 2° Bimestre letivo.
47
Vale ressaltar que, mediante os resultados, não houve qualquer problema na
construção dos dados ou no aprendizado dos alunos.
Ao longo do desenvolvimento do estudo, foi possível incluir outros
instrumentos de análise e avaliação da proposta elaborada e desenvolvida, tais
como relatórios, discussões orais, entre outros. A avaliação da aprendizagem e
da proposta se deu, também, pela própria observação participante da
professora-pesquisadora.
48
4. RESULTADOS
Neste capítulo vamos discutir os resultados obtidos durante o
desenvolvimento da pesquisa. Inicialmente, apresentaremos a análise dos
livros didáticos e, em seguida, discutiremos, na forma de categorias, a análise
da intervenção realizada, apresentando os principais resultados de nossa
pesquisa.
4.1 Contribuições e limitações dos livros didáticos sobre o conteúdo de
Indução Eletromagnética
Primeiramente, foram analisados os conteúdos de Indução
Eletromagnética e correntes de Foucault presentes em quatro livros didáticos
de Física do terceiro ano do ensino médio, utilizados em escolas públicas
estaduais pertencentes ao Núcleo Regional de Educação de Goioerê, região
noroeste do Paraná.
Os livros foram escolhidos em 2014 por professores da rede que atuam
na disciplina de Física, por meio do Programa Nacional do Livro Didático do
Ensino Médio (PNLEM). Tais livros são utilizados atualmente por professores e
alunos dessa rede púbica.
Estudiosos e pesquisadores têm se dedicado há pelo menos duas
décadas a investigar a qualidade das coleções didática utilizadas nas escolas
brasileiras, denunciando suas limitações e apontando soluções para melhoria
de sua qualidade. Podemos citar como exemplo os trabalhos de Pretto (1985),
Mortimer (1988), Fracalanza (1993), Pimentel (1998), Sponto (2000), Carvalho
(2007) e Garcia (2011).
De acordo com o PNLEM, a escolha do livro é livre para cada município.
O Núcleo Regional de Educação de Goioerê possui em sua jurisdição nove
cidades, entretanto, existe uma diversidade grande de livros por núcleo e até
mesmo entre os colégios do mesmo município.
Nesta pesquisa, a análise dos livros didáticos, como já foi discutido
anteriormente, foi adaptada da obra de Fracalanza e Neto (2006), onde os
autores trazem diferentes maneiras de avaliar livros didáticos de ciências.
49
Baseados no roteiro elaborado para a análise dos livros didáticos
(Apêndice A), fizemos no primeiro momento a identificação dos materiais,
conforme indicado na Tabela 01:
Tabela 01 – Relação de livros didáticos analisados
TÍTULO EDITORA ANO (Publicação)
AUTOR(ES)
Física para o Ensino Médio: Eletricidade – Física Moderna
SARAIVA 2013 KAZUHITO YAMAMOTO LUIZ FELIPE FUKE
Física aula por aula: Eletromagnetismo, Ondulatória, Física Moderna
FTD 2013 BENIGNO BARRETO CLAUDIO XAVIER
Compreendendo a Física: Eletromagnetismo e Física Moderna
ÁTICA 2011 ALBERTO GASPAR
Curso de Física
SCIPIONE
2011
ANTONIO MÁXIMO BEATRIZ ALVARENGA
Por questões éticas, não mencionaremos os autores ou título dos livros
didáticos no momento de discussão dos resultados. Tais obras foram
identificadas como Livro A, Livro B, Livro C e Livro D, aleatoriamente.
De acordo com a análise dos dados, todos os livros analisados
abordaram inicialmente os conteúdos programados aos 3° anos do Ensino
Médio, os títulos estavam de acordo com o tema exposto e as imagens e
ilustrações apresentadas ficavam articuladas e adequadas com o texto. Porém
dentro dos descritores de análises percebemos um recurso que nos chamou a
atenção: a “regra da mão direita”, muito conhecida no ensino superior e escolas
particulares. No Livro A, por exemplo, não existe regra para explicar o produto
vetorial; o autor utiliza a “regra da mão direita” para gerar o sentido do campo e
depois a “regra da mão esquerda” para obter o sentido e direção da força
magnética – esta ultima utilizada também pelo Livro D. Já no Livro B é utilizada
a “regra do saca rolhas” e no Livro C, a regra da mão direita é tratada como
“regra de Ampère”. Com tanta diversidade na utilização de regras para a
explicação da teoria, muitos alunos podem ficar com dúvidas na compreensão
de algo que poderia ser relativamente simples. Além disso, nenhum dos livros
analisados oferece suporte para o cálculo vetorial.
50
Ao analisar a articulação entre texto e imagem, todos os livros
apresentaram a equação de Faraday
, porém, no Livro C,
encontramos uma limitação: a falta do sinal negativo, que representa a força
eletromotriz em consequência da oposição da taxa de variação do fluxo
magnético. O livro cita a lei de Lenz, mas não é feita qualquer relação com a lei
de Faraday, uma vez que o sinal negativo da expressão é uma consequência
da Lei de Lenz, deixando de abordar que corrente induzida tem um sentido que
gera um fluxo induzido oposto ao fluxo gerador. Esse possível “esquecimento”
é uma consequência natural do descompromisso na notação vetorial das
grandezas Físicas envolvidas no assunto. Com isso, percebemos que, no Livro
C, a Lei de Faraday não está adequada ao texto apresentado.
No que se refere ao conteúdo específico das correntes de Foucault,
percebemos que o Livro A não faz nenhuma menção sobre correntes de
Foucault ou sobre forças que atuem sobre as correntes induzidas. Já o Livro B
apresenta o início das explicações do pêndulo de Foucault, apresentando,
todavia, uma explicação muito breve e simples do Pendulo de Foucault, sem
qualquer rigor matemático. No livro C não é feita nenhuma relação entre a
indução e correntes de Foucault, não sendo citada nenhuma relação entre as
correntes induzidas e as forças ou até mesmo com o pendulo de Foucault. No
Livro D também não há menção da relação entre força e correntes induzidas ou
de qualquer exemplo do pêndulo de Foucault.
De uma maneira geral, os livros analisados permitiram a integração do
conteúdo com as aplicações tecnológicas. Estava presente nos textos dos
quatro livros quadros que complementam o conteúdo básico, que tem por
finalidade ilustrar e enriquecer o texto principal, permitindo que o conteúdo seja
mais bem compreendido. Os livros apresentaram também pequenas
experiências que podem ser realizadas com os alunos. Destaca-se, também, a
preparação para o vestibular, uma vez que todos trazem uma grande
quantidade questões desses exames.
Outrossim, os textos, imagens, ilustrações, atividades e questões
apresentadas nos livros analisados complementam o conteúdo,
proporcionando sua análise crítica e problematização com a realidade cotidiana
e com a prática social mais ampla.
51
A partir dessa análise dos livros didáticos, elaboramos um Plano de
Unidade que contempla sete horas/aulas, descritas passo a passo nos
subcapítulos a seguir.
4.2 Eletromagnetismo - partindo da prática social inicial dos estudantes
Primeiramente foi discutido o conteúdo já abordado sobre
Eletromagnetismo das aulas anteriores, incluindo Campo Magnético. Logo
após, os alunos receberam um questionário aberto inicial (APÊNDICE C) com
11 questões norteadoras. Por meio dele, buscamos diagnosticar os
conhecimentos prévios dos alunos sobre indução eletromagnética, correntes de
Foucault, a relação entre fluxo magnético com corrente elétrica e
transformadores elétricos. Sobre a importância de se conhecer os
conhecimentos prévios dos alunos, Gasparin (2007) destaca:
“Uma das formas para motivar os alunos é conhecer sua prática social imediata a respeito do conteúdo curricular proposto. Como também ouvi-los sobre a prática social mediata, isto é, aquela prática que não depende diretamente do indivíduo, e sim das relações sociais como um todo. Conhecer essas duas dimensões do conteúdo constitui uma forma básica de criar interesse por uma aprendizagem significativa do aluno e uma prática docente também significativa” (GASPARIN, 2007, p. 15).
Assim, iniciamos nossa sondagem da prática social dos alunos
avaliando o que eles sabiam sobre as características dos ímãs, questionando-
os se o mesmo atrai qualquer tipo de metal. Avaliando as respostas,
percebemos que a maioria soube responder que os ímãs não atraem qualquer
tipo de metal, porém, não souberam justificar. Dos 39 alunos que participaram
desta aula – dos dois colégios -, 27 responderam “não”, seis responderam que
“não sabiam” e cinco que “sim”. Abaixo seguem algumas respostas
selecionadas:
“Não, o ímã atrai apenas materiais metálicos, pois os metais contém uma carga eletrostática inversa ao ímã, fazendo com que eles se atraem”. (A06 do CEDUC) “Não sei”. (A27 do CEPD) “Não, porque ele atrai somente o ferro” (A38 do CEDUC)
52
“Sim, ele atrai qualquer tipo de metal” (A37 do CEPD) “Não, porque eu acho que o ímã atrai aquilo que é oposto a ele se for o mesmo tanto de elétrons com mesmos sinais ele se repele”. (A39 do CEPD)
A partir dos excertos, podemos observar que os alunos tiveram
dificuldade em justificar a resposta e, quando justificadas, apresentaram-se
inadequadas, possivelmente por falta de conhecimento científico sobre o
assunto. Nesta questão, esperávamos que os alunos já soubessem que um
ímã em repouso atrai apenas materiais ferromagnéticos. Contudo, eles
apresentaram pouco conhecimento sobre o assunto.
A segunda pergunta referia-se à possibilidade de se acender ou não um
LED com apenas um ímã. Nesta questão, 12 alunos responderam “não sei”,
sem justificativa, e dez alunos responderam “não”, com justificativas diversas.
Dentre elas podemos destacar:
“Não, pois os led’s não possuem cargas negativas e positivas, para haver qualquer reação com a carga eletromagnetizada”. (A16 do CEDUC) Não, apesar do magnetismo, o ímã não possui energia suficiente”. (A11 do CEDUC)“
Das respostas afirmativas com justificativas, destacamos:
“Sim, por causa do seu campo eletromagnético”. (A15 CEDUC) “Sim, pelo campo magnético”. (A34 CEPG) “Sim, tem que aproximar o ímã do LED. Que vai atrair o seu campo magnético fazendo com que o LED acenda”. (A07 CEDUC)
Embora os alunos tenham respondido que sim - o que era esperado -,
nenhuma das justificativas correspondeu à explicação correta do fenômeno,
pois nenhum aluno abordou sobre uma possível indução eletromagnética.
Na terceira pergunta, que se referia a possibilidade de gerar uma força
entre uma placa de alumínio e um ímã, a maioria não apresentou a
possibilidade de um ímã gerar uma força com uma placa de alumínio: 14
alunos responderam “não sei” e 13 alunos responderam “não” com as
seguintes justificativas:
53
“Não, pois o alumínio é um dos materiais metálicos que não possuem eletromagnetismo, sendo assim, impossível haver qualquer tipo de reação entre esses dois objetos”. (A06 do CEDUC) “Não, porque o ímã não atrai alumínio”. (A10 do CEDUC) “Não, por que o alumínio não é feito de metal e não possuí campo magnético”. (A07 do CEDUC)
No entanto 12 alunos responderam “Sim”, justificando:
“Sim, porque quando se atraem gera uma determinada força”. (A32 do CEPG) “Sim, porque existe uma força magnética entre elas”. (A30 do CEPG) “Sim, magnetizando-o eletricamente”. (A05 do CEDUC)
Com estas justificativas, percebemos que os alunos têm dificuldade em
compreender o real significado dessa força magnética, uma vez que para eles
o alumínio é só mais um metal, sem qualquer interação com o ímã.
Na quarta questão, perguntamos sobre a relação entre Campo
Magnético e Corrente Elétrica. Nela, 24 alunos responderam “não sei”, ou seja,
mais da metade compreendia a relação entre Campo Magnético e Corrente
Elétrica. Os outros 15 alunos tentaram justificar essa relação:
“A relação é que quando uma corrente elétrica toca o metal ele gera um pequeno campo magnético”. (A30 do CEPG) “A duas tem linhas magnéticas”. (A39 do CEPG) “Campo magnético eu acho que ele puxa as coisas ex: ferro, metal... e o campo elétrico tem haver com a eletricidade”. (A15 do CEDUC) “Campo magnético: atrai objetos feitos de metal. Corrente Elétrica: é um gerador de energia; exemplo: assim como secador... eu acho que não existe relação”. (A03 do CEDUC)
Analisando os dados obtidos dos alunos, podemos perceber que muitos
deles acreditavam que o magnetismo e eletricidade são dois termos totalmente
desconexos. Além disso, não conseguiram expressar que a partir da variação
de um fluxo no campo magnético é possível induzir uma corrente elétrica.
Em seguida na quinta pergunta onde foi solicitada a relação entre o
Campo Magnético e o Gerador Elétrico, notamos mais uma vez a maioria não
54
soube responder, sendo que 25 alunos responderam “não sei”. Os outros 14
alunos tentaram se justificar de diversas formas:
“Sim por que os geradores elétricos chegam ao campo magnético para gerar energia”. (A08 do CEDUC) “Sim, porque os geradores elétricos utilizam o campo magnético para gerar energia”. (A05 do CEDUC) “Sim, a relação é que forma um pequeno campo magnético”. (A30 do CEPG)
Percebemos uma dificuldade extrema em justificar esse assunto, sendo
que a maioria dos alunos não sabia dizer o que era um gerador elétrico e muito
menos relaciona-lo com o campo magnético. Por meio deste questionamento,
gostaríamos de sondar se os alunos já possuíam alguma ideia que a variação
de fluxo magnético pusesse gerar uma força eletromotriz, e consequentemente,
promover o aparecimento de uma corrente elétrica, facilitando a compreensão
da Lei de Faraday.
A sexta pergunta visava verificar se algum estudante já possuía o
conceito de Indução Eletromagnética, ou se apresentava alguma ideia de onde
esse conceito estava aplicado em seu dia a dia. Dos 39 alunos, 36 não
responderam esta questão, deixaram em branco ou colocaram “não sei”, e
somente três alunos tentaram responder:
“Sim, porque se a gente colocar uma chapinha para esquentar possui eletromagnetismo”. (A07 do CEDUC) “Sim é muito usado no nosso dia a dia e muitas vezes não percebemos, exemplo quando usamos secador, quando pegamos na maçaneta de um carro...”. (A03 do CEDUC) “Indução eletromagnética é deixar um corpo carregado com uma carga eletromagnética. Ela está presente em nosso dia a dia, por exemplo quando sentimos um choque ao tocar em algo metálico ou quando algo atrai os pelos ou cabelos”. (A06 do CEDUC)
Percebemos que as respostas ficaram em muitos pontos sem coerência,
indicando que os alunos não conheciam o conteúdo de indução
eletromagnética, sendo que alguns estudantes utilizaram argumentos com
pouco rigor científico. Das poucas respostas obtidas, pudemos notar uma
tentativa de correlação entre a indução eletromagnética e os processos de
eletrização de um corpo. Cabe enfatizar que esta não foi a correlação
55
esperada, pois almejávamos diagnosticar se os alunos poderiam apresentar
alguns dos conceitos e aplicações relacionadas com a Lei de Faraday.
Na sequência, a sétima questão buscava avaliar os contextos históricos
relacionados ao assunto de indução eletromagnética. Como relata Gasparin
(2007):
“A teorização é um processo fundamental para a apropriação crítica da realidade, uma vez que ilumina e supera o conhecimento imediato e conduz à compreensão da totalidade social” (GASPARIN, p. 7, 2007).
Nela questionávamos quem era Michael Faraday e qual foi sua
contribuição para a Física. Analisando as respostas notamos que 32 alunos
não souberam responder, deixaram em branco ou colocaram “não sei”. Apenas
sete alunos tentaram responder a questão:
“Foi um importante físico, que propôs a lei da indução eletromagnética”. (A05 do CEDUC) “Foi o físico que propôs a teoria do campo magnético”. (A39, A34 e A28 do CEPG) “Foi o inventor da unidade Faraday do termômetro”. (A29 do CEPG) “Michael Faraday criou a teoria do eletromagnetismo, propôs que todo corpo possui uma campo eletromagnético e estático”. (A06 do CEDUC) “Foi o criador do primeiro motor elétrico”. (A33 do CEPG)
Das poucas respostas recebidas, percebemos muitas divergências,
incluindo respostas bastante superficiais e pouco pautadas no contexto
histórico e científico. Em um dos casos, pudemos notar a troca entre Faraday e
Fahrenheit, sendo que nenhuma resposta foi plenamente satisfatória sobre as
contribuições de Michael Faraday para a Física, especificamente para o
Eletromagnetismo.
Na oitava pergunta, que questionava sobre o fluxo magnético e sua
relação com a força eletromotriz, notamos uma grande dificuldade por parte
dos alunos em respondê-la; muitos não faziam ideia do que seria fluxo
magnético ou força eletromotriz. Das 39 respostas, 37 alunos responderam
“não sei”. Apenas dois alunos tentaram responder, todavia, as duas respostas
apresentadas divergiram do contexto abordado e não conseguiram expressar a
dependência entre a força eletromotriz depende e o fluxo magnético:
56
“Fluxo magnético: o fluxo magnético são ondas que são transmitidas na atmosfera, são como as ondas sonoras, ela é transmitida por pulso magnético. Sua relação com á força eletro motriz, é que através desse pulso não vai gerar a eletricidade”. (A02 do CEDUC) “É um campo no qual o ímã atrai algo. A força eletromotriz é possível através do fluxo magnético”. (A08 do CEDUC)
A nona questão visava avaliar o conteúdo pertinente às correntes de
Foucault e sua aplicação no dia a dia. Foram obtidas apenas respostas em
branco ou “não sei” para essa pergunta, além de comentários de que nunca
haviam ouvido falar de Foucault. Constatamos que neste momento os alunos
não faziam ideia das correntes parasitas ou até mesmo do efeito Joule nos
metais condutores.
Na décima questão, na qual se perguntava sobre o funcionamento do
transformador elétrico, dos 39 alunos, 34 não responderam e cinco
responderam com justificativas variadas:
“Para transformar energias 127 para 220 e vice e versa”. (A39 do CEPG) “Funciona a partir de fios de cobre, materiais isolantes e entre outros materiais, que servem para transformar a força de energia recebida para que esta sirva para o consumo”. (A05 do CEDUC) “Serve para quando ocorre uma grande carga a mais e ele chega a cair a luz para que a carga volte ao normal”. (A28 do CEPG) “Ele funciona da seguinte forma, tem um cabo que gera energia para tudo. Serve para gerar energia”. (A34 do CEPG) “Formar energia”. (A03 do CEDUC)
Nesta pergunta esperávamos mais respostas explicando o efeito do
transformador pelo fato de ser algo um pouco mais comum em suas vidas.
Todavia, esse dado demonstra que o nível de conhecimento científico dos
alunos é baixo, principalmente considerando os alunos do 3° ano do Ensino
Médio.
Por fim, a décima primeira questão visava avaliar o conhecimento sobre
o consumo de energia dos chuveiros elétricos de potencias iguais conectados
em 127 e 220 Volts. A intenção deste questionamento era verificar a presença
de conhecimentos prévios sobre potência, uma vez que quando chuveiros têm
o mesmo consumo apresentam as mesmas potências.
57
No entanto, percebemos que do total de alunos, 12 responderam que
não sabiam e 06 responderam que 220V consome mais energia:
“220V por que ele tem mais energia”. (A15 do CEDUC) “220V. Porque a tensão do chuveiro é mais forte, ou seja, o campo elétrico ou força motriz é gerado, ai essa força vai ser mais forte e vai gastar mais energia”. (A01 do CEDUC) “220V. Porque ele consome mais energia, ele puxa a energia toda do transformador gerando alto custo”. (A34 do CEPG)
Os demais 21 alunos responderam que 127V consome mais energia:
“127V, por que quanto menos volts mais energia gasta”. (A07 do CEDUC) “127V por que como a corrente é menor ela tende a consumir mais energia”. (A28 do CEPG) “O chuveiro 127V por que tem menor potência e sua energia precisa ser transformada”. (A05 do CEDUC) “127V porque ele precisa do dobro de energia para ligar o chuveiro”. (A20 do CEDUC)
Mediantes a análise das respostas, foi possível verificar que os alunos
apresentaram muitas dificuldades sobre o tema abordado, não produzindo
nenhuma resposta satisfatória.
Assim, tendo como ponto inicial para o desenvolvimento da atividade o
conhecimento prévio que os alunos trouxeram consigo, foram retomadas com
os alunos todas as questões de modo a discutirmos os diferentes ponto de
vista, permitindo o aprofundamento do conteúdo de Eletromagnetismo e
articulando este ponto ao segundo momento pedagógico da prática educativa:
a problematização. Para GASPARIN (2007):
“A problematização é um elemento-chave na transição entre a prática e a teoria, isto é, entre o fazer cotidiano e a cultura elaborada. É o momento e que se inicia o trabalho com o conteúdo sistematizado [...] é o caminho que predispõe o espírito do educando para a aprendizagem significativa, uma vez que são levantadas situações-problema que estimulam o raciocínio” (GASPARIN, 2007, p. 35).
Onde entrelaçamos a prática social inicial ao conteúdo científico a ser
estudado por meio de questionamentos. Conforme Saviani (2008) destaca, “a
58
problematização deve detectar que questões precisam ser resolvidas no âmbito
da prática social e, em consequência, que conhecimento é necessário
dominar”.
Diante das explanações durante a problematização, os alunos se
sentiram instigados a saber mais sobre o assunto, questionando e contrapondo
os temas expostos em sala de aula e recebendo as devidas explicações sobre
cada pergunta.
4.3 Problematizando e instrumentalizando os estudantes dos conteúdos
históricos – a Indução Eletromagnética
Ao iniciar a aula, os alunos participaram de uma breve discussão,
retomando as questões do questionário inicial. Logo após, por meio de uma
exposição dialogada, foi abordada a história dos conceitos fundamentais do
Eletromagnetismo e a contribuição de Michael Faraday, sempre simbolizando
os significados das palavras, seja por meio de objetos ou da própria fala. Para
melhor entendimento do conteúdo, foi levado para sala de aula alguns modelos
de ímãs com intuito de despertar o interesse dos alunos, fazendo uma busca
do que cada um sabia sobre aquele assunto. Ao longo dessa aula,
introduzimos algumas das questões problematizadoras propostas no Plano de
Unidade (Apêndice D), tais como: O que é um ímã? Do que ele é composto?
Tais questões visavam aprofundar e desmitificar alguns conceitos do
cotidianos.
Para fornecer o suporte apropriado, na sequência, foi realizada uma
atividade prática em sala de aula sobre o Freio Eletromagnético I, descrita no
Apêndice E.
Para confeccionar este experimento foram utilizados materiais de baixo
custo, facilmente adquiridos em lojas de materiais de construção.
Dando sequencia ao experimento, colocamos um ímã para descer por
um tubo de PVC e observamos o tempo de queda. Depois repetimos o mesmo
movimento Nessa atividade prática, foi demonstrada qualitativamente a
frenagem do ímã - quando deixado cair no interior de em tubo condutor não-
ferromagnético (Cobre) - em relação a queda do mesmo ímã no interior de um
tubo de material isolante (PVC). Em um tubo de cobre, tendo em vista analisar
59
o porquê de os tempos de quedas serem diferentes. Após essa atividade e das
discussões dos alunos, explicamos o fenômeno da interação do campo
magnético do imã com as correntes induzidas no tubo de cobre devido da
variação de fluxo. Com base no conhecimento prévio dos alunos, foram
produzidas as conexões entre teoria e prática e entre conhecimentos cotidianos
e científicos, tendo em vista atingir um nível mais elevado e sintético de
compreensão do conteúdo por parte de cada um, como o Moreira relata:
É importante reiterar que a aprendizagem significativa se caracteriza pela interação entre conhecimentos prévios e conhecimentos novos, e que essa interação é não-literal e não-arbitrária. Nesse processo, os novos conhecimentos adquirem significado para o sujeito e os conhecimentos prévios adquirem novos significados ou maior estabilidade cognitiva. (MOREIRA, M.A., 2012).
Por meio da análise desta prática, foi possível verificar que a força de
frenagem no ímã é maior se a velocidade dele em relação ao cano for maior,
pois. Este dado também pode ser obtido por meio da Lei de Faraday, na qual o
valor da força eletromotriz induzida ao longo da circunferência do cano é
proporcional à corrente elétrica induzida e depende da rapidez com a qual o
fluxo magnético varia através dele. Ao longo dessa discussões, também
apresentamos aos alunos um simulador9, composto por uma bobina conectada
a uma lâmpada, pelo qual os alunos visualizaram que a lâmpada só acendia
mediante a movimentação do ímã nas proximidades da bobina. Neste sentido,
foram esclarecidas as similaridades entre os fenômenos utilizando os conceitos
teóricos envolvendo indução eletromagnética.
Fazendo um comparativo entre as aulas teóricas convencionais, por
meio da utilização dessas atividades foi possível verificar um aumento na
participação dos alunos, fazendo diversas perguntas como: “o tamanho do tubo
influencia na frenagem? E a espessura do tubo?”, “Porque o ímã cai mais
lentamente no tubo de cobre? Se fosse de alumínio teria o mesmo efeito?”.
Neste sentido, esta aula foi instigante pela grande participação e curiosidade
dos alunos, como mostrado na Figura 17. O mesmo resultado foi obtido nas
duas turmas sendo que as perguntas dos alunos também foram semelhantes.
9 Simulador encontrado no site: https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/legacy/faradays-law
60
Figura 17: Alunos realizando a atividade teórico-experimental sobre o Freio Magnético I
Nesta aula os alunos também puderam compreender que um ímã não
atrai qualquer tipo de metal. Dando sequencia, utilizando os questionamentos
dos próprios alunos, pudemos explicar o conceito de materiais ferromagnéticos
e de materiais paramagnéticos, propiciando também aprofundar o conceito de
força magnética, ao ver que ímã cai lentamente no tubo de cobre.
Ao final desta atividade sobre Indução Eletromagnética, os alunos foram
capazes de compreender as propriedades de um ímã, de identificar o
surgimento da corrente elétrica induzida por meio da variação do fluxo
magnético, além de entender qualitativamente a interação da força magnética
relacionada aos conceitos de Indução eletromagnética.
4.4 Problematizando e instrumentalizando os estudantes dos conteúdos
culturais – O Gerador Elétrico
Retomando o assunto envolvendo indução magnética, foram destinadas
duas horas/aula para a construção de um Gerador Elétrico. Como questão
norteadora e problematizadora retomamos a seguinte pergunta: “É possível
acender um LED com um ímã?”. Os alunos neste momento já afirmavam que
sim, porém as justificativas apresentadas por eles ainda apresentavam muitos
erros e não estavam pautadas na teoria. Após alguns apontamentos os alunos
61
receberam o segundo roteiro da atividade teórico-prática, Chamada de Gerador
Elétrico que segue descrita no Apêndice E.
Com o intuito de promover discussões e possibilitar a troca de ideias
entre os alunos, dividimos as turmas em pequenos grupos, de modo a
iniciarem a leitura do roteiro, dando sequência à elaboração das atividades
práticas. Nesta atividade utilizamos materiais de baixo custo, tais como: fios de
cobre esmaltados (awg 30), fita adesiva de diferentes corres, diodos emissores
de luz - led, tubo de água aquaterm 22 mm, imã de neodímio cilíndrico de 10 x
20 mm. Em relação ao diâmetro interno do tubo, foi tomado um cuidado
especial, de modo a garantir que o imã de neodímio deslizasse com suavidade
no interior do tubo.
Dando início as atividades experimentais com cada grupo formado, e
tendo previamente discutido o roteiro, passamos a confeccionar uma bobina de
150 espiras para liga-las a um LED, conforme mostra a Figura 18.
Propositalmente, foi sugerido a dois grupos que alterassem o número de
espiras da bobina, para 100 e 200 voltas. Em seguida, perguntamos o que
poderiam fazer para acender o LED e, após algumas discussões, distribuímos
ímãs aos alunos e pedimos para que os movimentassem dentro da bobina e
observassem o fenômeno. Foi positiva a reação dos alunos: “não acredito, o
LED acende mesmo!; “adorei está aula professora, quando será a próxima?”;
“vou gerar energia na minha casa!”.
Figura 18: Alunos confeccionando o Gerador Elétrico, sob a orientação da professora pesquisadora.
62
Aproveitamos este momento da experimentação nos grupos para
também avaliar qualitativamente a relação entre o número de espiras e a
facilidade em acender LEDs de mesma especificação. Fornecendo 2 LEDs
azuis de mesma especificação, foi possível verificar que o protótipo com mais
espiras “acendia” o LED com mais facilidade que os demais. Neste momento,
explicamos o fenômeno da indução eletromagnética, demonstrando
qualitativamente que a força eletromotriz induzida numa bobina é diretamente
proporcional à variação do fluxo magnético nela e inversamente proporcional
ao intervalo de tempo em que essa variação ocorre, conforme previsto pela Lei
de Faraday. Discutimos também de maneira prática como a Lei de Lenz e a
Regra da Mão direita são aplicadas em diferentes situações e, por final,
relacionamos o conceito de conservação de energia mecânica com o conteúdo
de eletromagnetismo.
Para ampliar o entendimento dos alunos sobre o assunto, apresentamos
um vídeo10 que explica detalhadamente a Lei de Lenz relacionada com a lei de
conservação da energia. Explicamos que ualquer que seja a forma como a
corrente é induzida em uma espira fechada, a energia elétrica sempre se
transforma em energia térmica durante o processo (a menos que a espira seja
supercondutora), como consequência natural da resistência elétrica do material
de que é feita a espira (MOURA, 2011).
Ao final desta atividade sobre Gerador Elétrico, os alunos foram capazes
de compreender que força eletromotriz induzida numa espira (bobina), é
diretamente proporcional à variação do fluxo magnético que atravessa e
inversamente proporcional ao intervalor de tempo em que essa variação
ocorre. Também foi possível mostrar aos estudantes que a ciência está ao seu
alcance, despertando sua motivação para o conhecimento científico e
permitindo que os mesmos conhecessem o fenômeno da indução
eletromagnética e fossem capazes de relacioná-lo ao seu cotidiano. Esta
atividade foi avaliada por meio das análises das discussões orais, dos relatos
dos alunos e de um relatório do experimento.
10
Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=GMP14t9mgrc
63
4.5 Problematizando e instrumentalizando os estudantes dos conteúdos
culturais – Correntes de Foucault
Iniciamos esta quinta aula com a retomada do último experimento,
tomando o cuidado de sempre corrigir o que fosse necessário. Na sequência
demos início a uma aula expositiva dialogada sobre o fenômeno das correntes
parasitas. Como utilizamos também como base a teoria Vygotskyana,
primeiramente direcionamos o foco para identificar as possíveis concepções
espontâneas ou explicações prévias dos alunos, com o objetivo de estabelecer
uma relação entre o conhecimento prévio e o conteúdo científico de modo mais
coerente. (GASPAR, MONTEIRO, 2005)
Durante este diagnóstico dos conhecimentos prévios, verificamos que
um aluno, utilizando uma variedade de imãs, montou um pequeno gerador que
acendia um LED com a movimentação mecânica de um disco. Isso nos mostra
que a motivação proporcionada em sala de aula pode favorecer o
aprofundamento dos conteúdos por parte dos alunos. Quando perguntado
sobre as atividades de Física, o aluno relata:
“adoro fazer experimentos de Física, tenho vários em casa, vejo
muitos vídeos e leio bastante também” (A06 do CEDUC).
Um detalhe muito importante sobre este estudante diz respeito ao
processo de avaliação. Foi constatado que o aluno não apresenta boas
avaliações na disciplina de Física, inclusive apresenta uma dependência na
disciplina do segundo ano do ensino médio. Uma possível explicação para o
fato pode ser atribuída às formas de avaliação geralmente desenvolvidas com
os alunos em sala de aula, assim como a maneira como os conteúdos têm sido
abordados – geralmente desarticulando teoria e prática.
Com base no diagnóstico dos conhecimentos prévios, foi dado inicio à
atividade que visava à observação do fenômeno físico sobre as correntes de
Foucault, que, para o nosso caso, surgem em um disco condutor
(paramagnético) exposto a um fluxo do campo magnético que varia com a área
do disco. Conduzida no laboratório de ciências, a Atividade Teórico-Prática
Freio Magnético II segue no Apêndice E. Esse experimento apresentou um
64
custo um pouco maior na sua construção (aproximadamente R$ 300,00), pois
precisamos de torneiro mecânico especializado para o ajuste de um eixo em
um rolamento, corte a lazer para a confecção dos discos, além de materiais
como imãs de neodímio e madeira para construção da base, como mostrado
na Figura 19. Consideramos o investimento baixo tendo em vista a
durabilidade dessa atividade.
Figura 19: Experimento do Freio Magnético II
Discutimos os diversos efeitos causados por esta variação de fluxo
magnético, variando também o formato dos discos de alumínio. As correntes de
Foucault são correntes fechadas induzidas no volume de um metal submetido a
um campo magnético e, quando, por exemplo, o disco de alumínio gira entre os
ímãs, há uma variação de fluxo no disco que provoca uma força eletromotriz.
Esta força eletromotriz é induzida no disco por sua vez, permite o movimento
dos elétrons livres no metal em circuitos fechados, gerando as Correntes de
Foucault, fazendo que o mesmo freie em decorrência da Força de Lorentz, que
surge devido à interação do campo do imã e da corrente induzida.
Nesta aula utilizamos uma atividade experimental demonstrativa,
contando com a confecção de apenas 1 kit, pois a mesma requisitava detalhes
65
e serviços específicos para sua montagem. No entanto, consideramos que
atividades experimentais demonstrativas agregam importância ao conteúdo
não perdem sua qualidade como afirma GASPAR, MONTEIRO, 2005.
“Designar atividades experimentais que possibilitassem apresentar fenômenos e conceitos de Física, cuja explicação se fundamente na utilização de modelos físicos e priorize a abordagem qualitativa. As atividades de demonstração dessa natureza não se restringem à sala de aula. Podem ser apresentadas também em outros ambientes em função dos quais adquirem características diferentes”. (GASPAR, MONTEIRO; 2005)
As demonstrações experimentais em sala de aula, desde que
adequadamente apresentadas, proporcionam situações específicas e
momentos de aprendizagem que dificilmente aparecem em aulas tradicionais
de lousa e giz, ou em atividades experimentais realizadas apenas pelos alunos
com ou sem a orientação do professor. Os alunos costumam mostrar interesse
em experimentos demonstrativos, segundo Gaspar e Monteiro (2005):
“A interação social desencadeada entre professor e alunos é avaliada a partir da teoria sócio-cultural de Vigotski, permeadas pela análise do discurso do professor, e os resultados apontam para o fato de que a orientação das atividades, no sentido de promover interações sociais verdadeiras, pode tornar mais eficiente a utilização das
atividades de demonstração em sala de aula” (GASPAR, MONTEIRO, p. 3, 2005).
Entendemos que esse estudo está vinculado à proposta de um
referencial teórico que contemple características específicas desse
procedimento, como o papel da interação social, desencadeadas pela
demonstração experimental e a importância da mediação simbólica cujo uso
ela possibilita (Idem).
Com relação à participação dos estudantes, nesta aula houve grande
participação, sendo que os mesmos conseguiram relacionar o experimento
com assuntos que já ouviram falar, como por exemplo, a levitação magnética.
Por fim, foram conduzidas demonstrações do experimento utilizando
discos com diferentes tipos de “defeitos” para que os alunos pudessem avaliar
a influência do número de ranhuras, do formato das ranhuras na velocidade de
66
rotação do disco. Como fonte propulsora foi utilizada uma massa de 100 g,
sendo que a velocidade de rotação foi avaliada qualitativamente mediante a
determinação do tempo de queda da massa. Os resultados apontaram que o
disco maciço demorou em média cinco segundos a mais que o disco
totalmente vasado, sendo que já o disco parcialmente vasado teve o tempo
muito próximo ao do maciço. Neste sentido os alunos puderam perceber a
influência do caminho fechado na indução das correntes de Foucalt no disco,
como ilustrado na Figura 20.
Figura 20: Um aluno manuseando o experimento de Freio Magnético II
Com relação à análise do movimento do disco, foi possível demonstrar a
existência de uma força de repulsão que foi maior entre o disco de alumínio
maciço e o imã. Como a massa propulsora sempre foi lançada a partir da
mesma altura h, a energia potencial inicial em cada lançamento foi a mesma.
Considerando a conservação de energia, desprezando o atrito do rolamento, foi
possível esclarecer que a energia potencial inicial foi transformada em energia
cinética de rotação e posteriormente em energia térmica em decorrência da
dissipação resistiva causada pelo material condutor do disco. Finalizando as
observações, foi possível notar que logo após ao lançamento a velocidade do
disco era constante em decorrência da potência dissipada na forma de calor
ser igual a potência produzida pelo movimento de queda do disco.
67
4.6 Problematizando e instrumentalizando os estudantes dos conteúdos
culturais – Transformadores
Visando ampliar o desenvolvimento dos conteúdos de indução
magnética, na sexta aula foi proposto que os alunos, em grupos, realizassem
outra atividade teórico-prática sob a mediação do professor, que segue descrita
no Apêndice E: O Transformador Elétrico Desmontável.
Esta atividade permitiu estudar os efeitos relacionados aos
transformadores elétricos por meio de uma atividade teórico-prática. Para o
desenvolvimento dessa atividade foi utilizado fio de cobre esmaltado (awg 30)
além de dois núcleos de transformadores comerciais iguais (que podem ser
encontrados em lugares de descarte de aparelhos eletrônicos), que foram
cuidadosamente divididos em duas partes conforme mostrado na Figura 21.
Nessa montagem as bobinas foram produzidas com 700 e 300 espiras. Com
relação à confecção do experimento, tendo em vista o longo tempo destinado
ao preparo dessa atividade, todo o preparo da montagem da atividade foi feita
com antecedência da aula.
Figura 21: Processo de desmontagem e montagem de um transformador
Por meio dessa atividade, os alunos puderam relacionar os conceitos de
indução magnética nas bobinas do transformador, discutir sobre o acoplamento
68
magnético entre as bobinas, além de relacionar o número de espiras das
bobinas com a força eletromotriz em cada bobina, com a corrente elétrica em
cada bobina e com a Lei de Faraday.
Para iniciar o diagnóstico dos conhecimentos prévios dos alunos,
utilizamos algumas questões problematizadoras sobre o assunto, tais como: O
que é transformador? Considerando dois chuveiros de mesmo modelo, qual
consome mais energia, o 127V ou o 220V? Qual a relação entre correntes de
Foucault e transformadores?
Com base nos conhecimentos prévios trazidos pelos alunos, explicamos
que o transformador é um dispositivo elétrico que opera ligado à rede de
alimentação alternada, que permite modificar a amplitude de tensões e
correntes, baseado nos princípios eletromagnéticos da Lei de Faraday e da Lei
de Lenz. Um transformador elétrico simples pode ser construído por meio de
uma peça de material ferromagnético, denominada de núcleo do transformador,
ao redor da qual são enroladas duas ou mais bobinas com diferentes números
de espiras.
Medindo a diferença de potencial na bobina primária e na bobina
secundária com um multímetro foi possível verificar experimentalmente a
relação entre a tensão e o número de espiras de cada bobina dentro de uma
precisão de 5%. Neste contexto, foi possível discutir quais os fatores
envolvidos na diferença entre os valores teóricos ideais e experimentais. Em
função do acoplamento imperfeito entre as duas partes que formam o núcleo,
algumas linhas de campo da bobina primária não passaram pela bobina
secundária, gerando diminuição na eficiência do gerador. Outro fator envolvido
foi a dissipação causada pelo aquecimento do núcleo e das bobinas. Quanto
maior for a dissipação das partes do transformador em energia térmica, menor
será a eficiência do mesmo e maior será a diferença encontrada entre os
valores de tensão medidos e calculados.
Torna-se importante salientar que, para melhorar segurança dos alunos,
foi utilizado um transformador comercial para reduzir a tensão da rede, a fim de
evitar acidentes graves durante as medidas da diferença de potencial.
A partir do desenvolvimento desta atividade experimental, elencamos
algumas afirmações dos alunos descritas abaixo:
69
“nossa professora adorei essa aula, agora eu gosto de Física”. (AD
CEDUC)
“vou construir um transformador pra mim”. (AL CEDUC)
Tais opiniões demostram que a atividade contribuiu para a motivação
dos alunos e, principalmente, favoreceu seu aprendizado. Na Figura 22,
podemos visualizar algumas imagens dos momentos em que os alunos
mediram as diferenças de potenciais do transformador.
Figura 22: Alunos verificando a mudança de tensão nos transformadores
Cabe ressaltar que, por meio desse experimento, os alunos puderam
relacionar o funcionamento do transformador com o funcionamento de um
eletroímã. O eletroímã foi obtido por meio da ligação de qualquer uma das
metades do transformador desmontável à fonte de tensão alternada.
Ao final da atividade do Transformador Desmontável, os alunos
compreendam o real funcionamento do transformador, possibilitando a
compreensão de que a amplitude de suas tensões pode ser aumentada ou
diminuída conforme o número de espiras nas bobinas primária e secundária.
Nesse sentido, a atividade teórico-prática envolvendo o transformador elétrico
desmontável foi um meio pelo qual, como afirma Saviani (2008), o conteúdo
sistematizado foi posto à disposição dos alunos para que pudessem assimilá-lo
e recriá-lo e, ao incorporá-lo, pudessem transformá-lo em instrumento de
compreensão da realidade.
70
4.7 Afinal, o que é Indução Eletromagnética? Retornando à prática social
dos estudantes
Finalizando o desenvolvimento das atividades planejadas, durante a
sétima e ultima aula foi realizada a retomada de todo o conteúdo estudado nas
aulas anteriores, em suas diferentes dimensões. Neste momento, algumas
dúvidas foram retomadas e esclarecidas. Ao final das discussões, os alunos se
dividiram em duplas, resultando em um total de 21 grupos que receberam um
novo questionário apresentado no Apêndice C. Esse passo foi conduzido com
o propósito de analisar se os estudantes se apropriaram do conhecimento
trabalhado em diferentes dimensões, permitindo a relação entre teoria e prática
e a utilização do conhecimento científico, agora internalizado, para a
compreensão da prática social. Conforme apontado por Saviani (2008):
O ponto de chegada do processo pedagógico na perspectiva histórico-crítica é o retorno à Prática Social. Esta fase representa a transposição do teórico para o prático dos objetivos de unidade de estudo, das dimensões do conteúdo e dos conceitos adquiridos (SAVIANI, 2008, p. 145).
Com o objetivo de preservar a identidade dos alunos, a cada uma das
duplas foi atribuído um código aleatório, conforme o exemplo que segue: D01
do CEPG – Dupla 01 do Colégio Estadual Polivalente de Goioerê. D02 do
CEDUC – Dupla 02 do Colégio Estadual Duque de Caxias.
Decorrido o temo necessário, o questionário foi recolhido para a
realização da análise das respostas, a fim de que pudéssemos fazer uma
leitura final de cada pergunta e confrontar as ideias de cada grupo sobre o
assunto. Com relação à primeira pergunta - se o imã poderia atrair qualquer
tipo de metal -, identificamos que 100% das duplas responderam “não”, com
justificas foram bastante variadas:
“Não, porque o alumínio é um metal e eles não se atraem”. (A D04 do CEPG) “Não, ele não atrai o alumínio, ouro e cobre, porque nem todos tem campo magnético”. (D21 do CEDUC) “Não, só os ferros magnético que tem condução magnética”. (D19 do CEDUC)
71
“Não, porque o alumínio é um metal e eles não se atraem, porém se você movimentar os ímãs perante um disco de alumínio eles se repelem mais não se atraem”. (D05 do CEPG)
A partir dessas respostas podemos perceber que a dificuldade em
justificar as questões de maneira apropriada persiste, no entanto, devemos
considerar a evolução gradual dos alunos no processo de aprendizagem, pois
todos os alunos neste momento compreenderam que o ímã só é capaz de
atrair uma classe de materiais específicos: os materiais ferromagnéticos.
Na questão número dois avaliamos se os alunos achavam possível
acender um LED com um ímã e um fio de cobre. Sobre essa indagação 100%
das duplas responderam “sim”. Abaixo segue algumas das justificativas
apresentadas:
“É possível, através de uma bobina”. (D07 do CEDUC) “Sim, a partir da formação de uma bobina é possível acender a luz do led, quando o ímã passa pela bobina gera uma força eletromotriz que gera uma corrente elétrica”. (D11 do CEDUC) "Sim, com o fluxo magnético que o ímã contém ao entrar na bobina. A variação do ímã dentro da bobina cria uma força de indução que gera as correntes elétricas”. (D05 do CEPG) “Sim. O movimento do ímã dentro de uma espira causa a corrente elétrica, isso ocorre porque o ímã cria um campo magnético ocorrendo o fluxo linhas de campo”. (D08 do CEDUC)
Como podemos observar, houve explicações apropriadas ao
questionamento realizado, o que nos permite afirmar que as atividades
realizadas proporcionaram um aprendizado significativo que favoreceu a
aquisição de significados e a interação social entre os estudantes, algo de
extrema relevância para o processo de ensino-aprendizagem:
“Os significados das palavras e dos gestos são acordados socialmente, de modo que a interação social é indispensável para que um aprendiz adquira tais significados. Mesmo que os significados cheguem ao aprendiz através de livros ou máquinas, por exemplo, ainda assim é através da interação social que ele/ela poderá assegurar-se que os significados que captou são os significados socialmente compartilhados em determinado contexto” (MOREIRA, et al., p. 8, 1997).
72
Autores como Gaspar e Monteiro (2005) também destacam em sua obra
que a interação social pode ser facilitadora do processo de aprendizagem, pois,
[...] à medida que se possa observar ou não indícios efetivos de intersubjetividade que leve todos os participantes a partilhar da mesma definição de situação por meio de uma adequada mediação semiótica, pode-se inferir que essa interação social possibilita a colaboração que pode levar à aprendizagem”. (GASPAR, MONTEIRO, p.10, 2005).
A terceira questão proporcionou uma discussão sobre a possibilidade de
se gerar uma força entre uma placa de alumínio e um ímã. Fazendo um
comparativo com as respostas indicadas no primeiro questionário, onde os
alunos não conseguiram justificar a existência da força entre a placa de
alumínio e o ímã, tivemos um ganho significativo, pois com base nas respostas
indicadas após a atividade teórico-prática, 65% das duplas responderam “sim”,
com as seguintes justificativas:
“Sim. Porque ele cria uma força contrária ao ímã chamado de força de Foucault mais ele só gera uma força se houver movimento”. (D08 do CEDUC) “Sim, pois se tiver uma campo magnético em movimento da placa de alumínio consegue-se gerar uma força e diminuir sua velocidade”. (D06 do CEPG) “Sim, você consegue gerar uma força, vamos dar o exemplo do freio magnético: o freio magnético, você pode pegar uma placa ou até mesmo um cano, se você perceber, vai cair lento ou devagar. Por que isso acontece? Bom isso acontece por que quando você coloca o ímã no cano ele vai gerar um campo, esse campo vai gerar uma força em volta do cano. O polo do ímã quando entra no cano é norte e a força que gera no cano tem o polo norte também, então eles vão se repelir fazendo o ímã descer devagar, quando o ímã está passando gera uma força eletromotriz onde se gera uma energia elétrica”. (D13 do CEDUC) “Sim, porque existe uma força contrária entre o ímã e alumínio que são as correntes de Foucault”. (D11 do CEDUC)
Os demais 35% que responderam “não” apresentaram diferentes
justificativas, dentre as quais destacamos:
“Não existe a possibilidade, porque o ímã não atrai o alumínio, porque ele gera uma força contrária quando parado, mas, quando em movimento perto do ímã há a possibilidade, porque ocorre variação de campo e vai existir força”. (D18 do CEDUC)
73
“Não, porque força de magnetismo tem, só não tem atração; o alumínio é uma paramagnetismo, existe a força contraria de indução”. (D17 do CEDUC) “Não. O alumínio não tem força com o ímã, o alumínio é um isolante ele gera uma indução ao contrário ou corrente de Foucault, mas se exercermos movimento com o alumínio perto do ímã vai ocorrer a variação de campo e vai existir força”. (D12 do CEDUC) “Não se atraem mas é um bom condutor pois o ímã cria uma força contrária”. (D16 do CEDUC)
Diante dessas respostas, percebemos que os alunos inicialmente
afirmaram que “não” tendo por base o caso em que tanto o imã está em
repouso quanto o alumínio. No entanto, algumas das justificativas se
mostraram redundantes quando avaliado o movimento entre as partes
envolvidas, indicando a possibilidade de força magnética em função da
variação de fluxo magnético, como no caso da dupla D12 do CEDUC. De todo
modo, podemos considerar por meio da análise dos dados que houve avanço
na aprendizagem dos alunos em função da mediação do professor sobre o
conteúdo trabalhado.
Na quarta questão, que discorria sobre a relação entre Campo
Magnético e a Corrente Elétrica, notamos que todos os alunos sabiam da
existência do Campo Magnético e da Corrente elétrica, no entanto,
apresentaram dificuldade em relacioná-las:
“O campo magnético pode criar uma possível corrente elétrica através da variação do fluxo”. (D15 do CEDUC) “Através da corrente induzida é que surge o campo magnético, o sentido da corrente é o oposto da variação do campo magnético”. (D21 do CEDUC) “O campo magnético é gerado através do ímã já a corrente elétrica é induzida através da variação do fluxo dos ímãs”. (D19 do CEDUC) “A relação é que o campo magnético é capaz de gerar a corrente elétrica”. (D01 do CEPG)
Avaliando as respostas antes do desenvolvimento das atividades, onde
os alunos não souberam responder a questão, pudemos acompanhar um
ganho significativo na aprendizagem deste conteúdo, pois neste momento,
alguns dos alunos foram capazes de relacionar a corrente à variação de fluxo
74
magnético – Lei de Fadaray (D15 do CEDUC), assim como interpretar o
sentido da corrente induzida em um metal condutor – Lei de Lenz
(D21CEDUC).
Para dar sequencia a análise do questionário, perguntamos qual era a
relação entre Campo Magnético e o Gerador elétrico. Analisando as respostas,
observamos que todos os alunos apresentaram justificativas relacionadas com
os conhecimentos adquiridos mediante desenvolvimento da unidade de
conteúdo, como segue descrito abaixo:
“Sim, porque o campo magnético gera as correntes elétricas e consequentemente as correntes formam o gerador elétrico”. (D05 do CEPG) “Sim, porque o gerador foi feito a partir da indução do campo magnético”. (D10 do CEDUC) “Sim existe. A corrente em um circuito aparece sempre com um sentido tal que o campo magnético que ela cria tende a contrariar a variação do fluxo magnético através da espira”. (D17 do CEDUC)
Por meio das respostas dos alunos, podemos constatar que, após a
apresentação do conteúdo, grande parte dos mesmos conseguiu relacionar a
grandeza Física Campo Magnético com a prática que, neste caso, envolveu o
gerador elétrico. Sobre essa apropriação do conhecimento para a
compreensão da realidade prática, Gasparin (2007) relata:
“O novo conteúdo de que o aluno se apropriou não é, portanto, algo dado pelo professor, mas uma construção social feita com base em necessidades criadas pelo homem. Nesse momento, esse conhecimento possui uma função explícita: a transformação social.[...] É a avaliação da aprendizagem do conteúdo, não como demonstração de que aprendeu um novo tema apenas para a realização de uma prova, de um teste, mas como expressão prática de que se apropriou de um conhecimento que se tornou um novo instrumento de compreensão da realidade e de transformação social” (GASPARIN, 2007, p. 132,138).
Neste sentido a apropriação de conhecimento dos alunos tornou-se
significativa à medida que os conteúdos científicos forneciam explicações
plausíveis para os fenômenos verificados no seu cotidiano.
A sexta questão, que versava sobre a definição da Indução
Eletromagnética e de onde ela está presente no dia a dia, todos alunos
75
tentaram justificar suas respostas, como podemos observar nos excertos
abaixo:
“Entendemos por indução eletromagnética o fato de quando o ímã passa pela bobina induzindo uma força, denominado eletromotriz, na geração de energia nas hidrelétricas”. (D11 do CEDUC) “Variação do fluxo num campo quando a movimentação. Sim se encontra no fogão por indução. Ocorre por causa da variação de energia gerando uma indução”. (D18 do CEDUC) “Aquilo que gera uma força elétrica através da variação de fluxo. Sim na maioria dos ambientes, em fogões eletromagnéticos, guitarras, etc. Porque podemos entender melhor o funcionamento das coisas ao nosso redor”. (D05 do CEPG) “Quando ocorre variação de movimento no campo magnético. Na maioria dos ambientes, nas guitarras, fogões eletromagnético”. (D06 do CEPG)
Avaliando as respostas, podemos notar que a dificuldade em definições
científicas claras persiste, no entanto, alguns apontamentos e relações com
situações e fenômenos presentes no cotidiano se tornaram mais claras após o
desenvolvimento da unidade de conteúdo.
Avaliando o conteúdo sobre a perspectiva histórica, a sétima questão
visava discutir sobre quem foi Michael Faraday e quais foram suas
contribuições para a Física. Percebemos de uma maneira geral que todos
souberam dizer quem foi Michael Faraday:
“Faraday foi um pesquisador, especialista, físico e químico inglês. Ele propôs estudos sobre a variação do fluxo magnético, que gerava uma força induzida”. (D13 do CEDUC) “Físico e químico inglês, contribuiu para o estudo do eletromagnetismo e durante seus estudos percebeu que a variação do fluxo magnético gerava uma corrente induzida”. (D21 do CEDUC) “Ele foi um físico e químico inglês, ele propôs um gerador elétrico”. (D04 do CEPG) “Michael Faraday, físico e químico inglês que teve grande contribuição. Na Física contribuiu no estudo de eletromagnetismo e durante os seus percebeu que a variação do fluxo magnético gerava uma corrente induzida”. (D17 do CEDUC) “Foi um físico inglês que descobriu que pode existir uma força elétrica através da variação de fluxo. Ele foi o primeiro físico a
76
acender uma lâmpada através do fluxo magnético dentro da bobina através das correntes elétricas”. (D05 do CEPG)
Com base nas respostas notamos que os conteúdos envolvendo a
dimensão histórica e cultural foram assimilados com maior facilidade que os
demais, tendo em vista que todos os estudantes conseguiram dizer quem foi
Michael Faraday, inclusive citando algumas de suas contribuições para a
Física no Eletromagnetismo. Isso mostra a importância de se trabalhar as
diferentes dimensões do conteúdo em sala de aula, de modo a torna-lo mais
significativo e próximo aos alunos.
Na oitava questão, que visava esclarecer a definição de fluxo magnético
e sua relação com a força eletromotriz, tivemos muitas respostas:
“O fluxo do campo magnético está relacionado ao número de linha do campo magnético que atravessa determinada superfície. A força eletromotriz induzida é consequência da variação do fluxo magnético. Os dois precisam do fluxo magnético”. (D20 do CEDUC) “Quanto maior o campo mais fluxo magnético, fluxo são as linhas que atravessam uma superfície. A força eletromotriz induzida e consequência da variação do fluxo magnético produzido pelo magneto”. (D16 do CEDUC) “O fluxo magnético está relacionado aos número de linhas do campo magnético que atravessam determinada superfície de área”. (D07 do CEDUC) “Fluxo magnético é a força do ímã dentro da bobina através da variação do fluxo gera as força eletromotriz causada pela corrente contrária ao campo magnético que o trabalho resulta
na força eletromotriz
”. (D05 do CEPG)
Em comparação ao questionário aplicado inicialmente, pudemos notar o
aumento no número de respostas satisfatórias, evidenciando que os alunos
entenderam a definição de fluxo magnético e que o mesmo é essencial para
que ocorra a força eletromotriz induzida.
Na nona questão, que solicitava a definição das correntes de Foucault
relacionando as mesmas com o cotidiano, percebemos que os alunos
apresentaram bastante dificuldade de expressar suas respostas:
“É o nome dado a uma corrente induzida em um material condutor”. (D02 do CEPG)
77
“É a corrente induzida em um circuito fechado”. (D08 do CEDUC) “São corrente parasitas, que são formadas do contrario ao fluxo gerando um freio magnético que é presente no nosso dia-a-dia”. (D11 do CEDUC) “As correntes de Foucault são correntes fechadas induzidas na massa de um metal em um campo magnético e, quando uma folha condutora entra em um campo, há uma variação de fluxo que provoca uma força eletromotriz, exemplo: aquecedores em um forno ou fogão de indução”. (D17 do CEDUC) “São correntes de eletricidade em campo fechado é necessária completar a volta para gerar energia”. (D05 do CEPG)
Considerando as respostas dos alunos, foi possível notar que os
mesmos usaram em suas explicações a relação entre correntes induzidas e
circuitos fechados, o que foi muito bom. No entanto, não apresentaram
nenhuma relação entre as correntes parasitas e o efeito Joule presente nos
condutores.
A décima questão solicitava que o aluno descrevesse o funcionamento
de um transformador elétrico e a sua utilidade. Notamos que os alunos
demostraram certa argumentação para responder esta questão, no entanto,
apresentaram uma grande variedade de argumentos:
“Transforma energia a partir do número de espiras que irá conter sendo que um lado terá mais que o outro de espiras”. (A20 e 21 do CEDUC) “O transformador elétrico transforma energia tanto aumentando como diminuindo. Permite fazer ajustes exatos na tensão”. (D16 do CEDUC) “Ele serve para diminuir a tensão de uma rede elétrica, o transformador funciona com corrente alternada”. (D01 do CEPG) “Permite modificar amplitude de tensão fornecida, feito de duas bobinas isoladas eletricamente, sendo acoplados magneticamente, pois são montadas em torno de um mesmo núcleo de ferro ou ferrite”. (D21 do CEDUC) “O transformador é um dispositivo elétrico que permite modificar a amplitude de tensões e correntes. Para transformar a voltagem, ex.: 110V – 220V”. (D20 do CEDUC)
Analisando as respostas dos alunos, podemos perceber que nenhuma
das respostas apresentava informações que permitissem quantificar a relação
entre a diferença de potencial e o número de espiras nas bobinas primárias e
78
secundárias. Para além das respostas qualitativas, nesta questão ouvimos
alunos dizerem que iriam construir transformadores, sugerindo ideias e fazendo
questionamentos sobre os materiais utilizados. Tal fato está diretamente ligado
à motivação do aluno, sendo este um fator facilitador no processo de ensino-
aprendizagem.
Visando aplicar os conceitos de diferença de potencial e corrente elétrica
à uma situação cotidiana dos alunos, na questão 11 perguntamos sobre o
consumo de energia do chuveiro elétrico idênticos, de 127 V e 220 V. Nesta
questão a maioria dos alunos respondeu que o consumo é o mesmo, porém,
três duplas argumentaram que o chuveiro 127 V consome mais energia. As
justificativas foram similares às apresentadas pela dupla D04 do CEPG, que
respondeu: “o 127, pois ele tem mais dificuldade em esquenta a água, puxando
mais energia que o 220 V”. Acreditamos que esses alunos possam ter
relacionado erroneamente o consumo de energia apenas à corrente elétrica
utilizada no dispositivo, que é maior para o caso 127 V.
Abaixo seguem algumas das respostas selecionadas a partir da maioria
dos relatos:
“Os dois consome o mesmo tanto a diferença e a de diminuir a força elétrica e corre menos risco de queimar chuveiro”. (D02 do CEPG) “Dependa, a potência sendo a mesma o consumo será o mesmo”. (D15 do CEDUC) “O consumo é o mesmo. O que muda é que com 220V o Ampere será mais baixo não deixando aquecer a fiação já o 110 o Ampere é mais alto assim o íon será mais trabalhado”. (D07 do CEDUC)
Com base nas respostas podemos notar que nenhum aluno apropriou-se
de equações para responder esta questão, no entanto, de um modo satisfatório
conseguiram justificar corretamente, de maneira qualitativa, que o consumo de
energia depende apenas da potencia elétrica.
Tendo em vista a possibilidade de os alunos expressarem sua opinião
sobre os métodos e procedimentos utilizados na condução da unidade de
conteúdo, propomos duas questões. A primeira delas foi a décima segunda
questão, na qual perguntamos o que os alunos acharam das atividades
desenvolvidas. Com base nas respostas, pudemos perceber o quanto os
79
alunos gostaram do desenvolvimento das aulas. Abaixo seguem algumas da
respostas selecionadas:
“Foi bem dinâmica, fazendo com que o interesse nas aulas aumentasse. Com os debates fica mais fácil entender a matéria”. (D20 do CEDUC) “Uma ótima experiência, pois favoreceu o nosso desenvolvimento em relação aos conteúdos aplicados”. (D08 do CEDUC) “As atividades desenvolvidas foram muito interessante, despertando a curiosidade e atenção dos alunos. Esse tipo de atividade é importante para que possamos nos interessar pela Física, a partir de experimentos que despertem cada vez mais”. (D11 do CEDUC) “Boas, pois foi umas aulas diferenciadas, fizemos parte teórica e prática, os experimentos foi muito legal, também aprendi muito sobre eletromagnetismo”. (D13 do CEDUC)
Todas as respostas apresentadas pelos alunos apresentaram pontos de
similaridade, sendo que o fator motivacional e a compreensão dos conceitos
teóricos em situações práticas foram citados com mais frequência. Entendemos
que ambos os aspectos apresentados pelos alunos atuam como agentes
facilitadores no processo de ensino-aprendizagem.
Para finalizar a décima terceira questão visava também avaliar se as
atividades desenvolvidas contribuíram para ampliar o conhecimento dos alunos
sobre o conteúdo de Indução Eletromagnética. Abaixo seguem algumas das
respostas selecionadas que expressam a opinião geral do grupo:
“Sim, sim, com essas outras eu aprendi muito sobre como funciona o eletromagnetismo no dia a dia, como a energia é formada, sobre o gerador elétrico, sobre os transformadores, etc...”. (D13 do CEDUC) “Sim, pois antes não sabia como utilizar e para que se utilizava um transformador, não sabia que o led acendia com o ímã, isso foi bom pois aprendemos também sobre as correntes elétricas entre outras coisas”. (D18 do CEDUC) “Contribuiu e muito para entendermos um pouco como funciona essa indução e compreender um pouco de algumas coisas do nosso cotidiano. Compreendi com base nas experiências e a explicação”. (D08 do CEDUC) “Sim, pois pude entender a força induzida. Representada pelo ímã, pelo cobre e pelo PVC”. (D04 do CEPG)
80
Considerando os relatos dos alunos, pudemos constatar que as
atividades atuaram de maneira positiva, motivando os mesmos e permitindo a
compreensão de conceitos teóricos em situações presentes em seu no
cotidiano. Certamente, em algumas questões esperávamos que os alunos
pudessem se expressar de maneira mais clara e sistemática, envolvendo
argumentos qualitativos assim como quantitativos, pautados no conteúdo
cientifico descrito na unidade de conteúdo. No entanto, não podemos
considerar que uma ação isolada e pontual como a desenvolvida neste trabalho
possa fornecer todas as ferramentas necessárias para que os alunos possam
garantir a internalização do conteúdo em sua totalidade. É necessário que os
pré-requisitos possam também ser tratados com o devido tempo e rigor, de
modo a favorecer cada vez mais a aprendizagem dos alunos.
Finalizando as atividades, tendo recolhido o questionário final, foi
realizada uma leitura das perguntas com o objetivo de discutir as possíveis
divergências encontradas nas respostas, esclarecendo cada uma das dúvidas
e apontamentos equivocados.
Trata-se de um momento importante da prática pedagógica para a
apropriação do conhecimento pelo aluno - sob a medição o professor -, pois é
neste instante que ele consegue entender e articular as questões colocadas no
inicio da intervenção pedagógica com o conhecimento científico apropriado,
conectando o conteúdo em uma nova totalidade social e dando à
aprendizagem um novo sentido. Trata-se, segundo a Pedagogia Histórico-
Crítica, do momento denominado da Catarse. (GASPARIN, 2007).
Após as atividades teórico-prática desenvolvidas, partimos para nossa
prática social final como o Gasparin (2007) comenta, é a confirmação de que
foi estudado, o aluno nesse momento consegue sozinho demonstrar o seu
aprendizado.
Mediante a triangulação dos dados ALUNO/PROFESSOR/CONTEÚDO ,
percebemos a grande evolução cognitiva dos alunos em relação a Indução
Eletromagnética, pois saíram do senso comum e se desenvolveram para o
conhecimento científico por meio da mediação do professor. Segundo Gasparin
(2007):
“O triângulo da mediação pedagógica mostra que, na escola, a relação que se estabelece entre os alunos e o conhecimento
81
científico não é direta nem automática, mas se realiza por meio do professor como mediador” (GASPARIN, p. 114, 2007).
Por meio das atividades desenvolvidas neste trabalho, podemos
assegurar que o tempo destinado para o desenvolvimento dessas e de outras
atividades relacionadas à Física necessita ser ampliado, uma vez que apenas
duas aulas semanais de 50 minutos cada não satisfazem as condições
necessárias para a abordagem dos conteúdos de maneira aprofundada,
interativa e problematizadora.
82
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
A partir dos resultados obtidos, consideramos que este estudo contribuiu
tanto para uma melhor aprendizagem dos estudantes do ensino médio sobre
tópicos do conteúdo de Eletromagnetismo quanto para a formação e prática
docente da professora-pesquisadora envolvida no processo. Da mesma forma,
pensamos que este estudo poderá contribuir para a prática profissional de
professores de Física desse mesmo nível de ensino, tendo em vista oferecer-
lhes uma estratégia didática diferenciada, crítica, coerente e sistematizada que
possa contribuir para o bom desenvolvimento do processo de ensino-
aprendizagem.
O produto educacional apresentado e discutido neste trabalho busca
fornecer suporte aos professores no tratamento de Indução Eletromagnética,
Força Magnética e Correntes de Foucault, conteúdos pouco explorados nas
escolas públicas, tendo em vista oferecer-lhes a possibilidade de trabalhar os
conteúdos considerados por muitos como complexos e abstratos.
Nosso trabalho apresenta experiências simples e de baixo custo, que
serviram para organizar os conhecimentos prévios dos alunos para a
aprendizagem dos conceitos físicos. Além das experiências utilizamos a
história da Física e outros recursos, relacionando teoria-prática e as diferentes
dimensões do conteúdo. Os resultados foram avaliados, entre outros aspectos,
por meio do questionário final, o qual indicou uma melhora no aprendizado dos
conceitos físicos pelos alunos quando comparado com as respostas obtidas no
questionário inicial.
Em relação aos livros didáticos, tivemos poucos apontamentos sobre o
assunto analisado, uma vez que, de maneira geral, apresentaram uma forma
clara de trabalho, demostrando preocupação também com a dimensão histórica
da ciência. Todavia, verificamos que os livros suprimem o conteúdo das
Correntes de Foucault e, quando o abordam, o fazem de maneira superficial,
trazendo poucos exemplos sobre o assunto.
O Plano de Unidade e a Unidade de Conteúdo propostas neste trabalho
permitiram que os alunos participassem das atividades por meios de debates e
questionamentos e compreendessem o tema, passando efetivamente do
conhecimento de senso para o conhecimento científico, crítico e mais
83
elaborado sobre o conteúdo, sendo capazes de melhor argumentar sobre
assunto.
Nosso produto educacional foi também desenvolvido com um grupo de
professores na rede pública, onde tivemos boas considerações. Todos
acreditaram no projeto, alegando ser possível desenvolvê-lo em suas escolas.
Uma constatação feita a partir do relato dos professores aponta que este
conteúdo é pouco trabalhado em sala de aula, seja pelo pouco tempo
destinado à disciplina de Física ou pelo desconhecimento do assunto e
escassez de práticas relacionadas ao tema.
Por mais que não seja uma tarefa fácil trabalhar tais conteúdos com os
alunos do ensino médio, enfatizamos por meio deste trabalho a necessidade
dos mesmos serem tratados de forma coerente em sala de aula. Assim,
esperamos que outros professores possam utilizar nosso produto educacional
em suas escolas, contribuindo para a melhor aprendizagem dos estudantes.
Até mesmo como uma nova forma de avaliar os aluno.
Entendemos que uma proposta didático-pedagógica não pode, por si só,
garantir a melhoria da qualidade do processo de ensino-aprendizagem no
âmbito da educação básica, uma vez que tal qualidade depende direta e/ou
indiretamente de diversos fatores macro e micro – tais como os aspectos
sociais, políticos, financeiros, de valorização da carreira do magistério, das
condições objetivas e materiais das escolas, da organização e gestão da
educação, entre outros – que extrapolam programas, métodos ou simples
estratégias de ensino. Todavia, consideramos igualmente importante a análise
do processo educativo como fenômeno concreto, ou seja, tal como ele se dá
efetivamente no interior da sala de aula, bem como a forma como esse
processo é desenvolvido. A partir desses aspectos consideramos a
necessidade de um ensino que vise à superação das condições precárias que
estão hoje postas à educação básica pública, precisamos, igualmente, pensar
em algumas das condições materiais que são necessárias para que sua
superação ocorra, também, dentro de sala de aula.
84
6. REFERÊNCIAS
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90
APÊNDICE - A
Roteiro de análise dos livros didáticos (adaptado de Fracalanza e Neto (2006):
Identificação do material:
- Área:
- Autor(es):
- Título:
- Editora:
- Ano de Edição:
- Série/Ano do ensino médio:
- Conteúdo analisado:
Descritores de análise:
- Adequação do título ao conteúdo:
O título está adequado ao conteúdo? Há alguma sugestão de modificação?
- Articulação entre texto e imagem:
As imagens e ilustrações apresentadas estão articuladas e adequadas com o texto? As
imagens estão organizadas de maneira lógica? Quais imagens poderiam ser
incluídas? Quais imagens poderiam ser retiradas? Quais imagens poderiam ser
modificadas? Quais imagens poderiam ser corrigidas?
- Referências bibliográficas:
As referências bibliográficas são coerentes com o conteúdo abordado? Há alguma
referência que poderia ser retirada ou acrescentada?
- Adequação do texto ao conteúdo:
Os textos apresentados são adequados ao conteúdo? O que poderia ser acrescentado?
O que poderia ser retirado? O que poderia ser modificado?
Os textos possuem gradação lógica, sistematizada e coerente? Sua organização
poderia ser modificada?
Os textos estão articulados entre si? O que poderia ser modificado?
- Exemplos utilizados:
Os textos indicam exemplos para a discussão do conteúdo? Os exemplos estão
adequados aos textos apresentados? Os exemplos indicados proporcionam a
problematização do conteúdo com a realidade cotidiana e com a prática social mais
91
ampla? Quais exemplos poderiam ser acrescentados? Quais exemplos poderiam ser
retirados? Quais exemplos poderiam ser modificados?
- Conteúdo:
De que maneira os tópicos de conteúdo estão organizados?
Há erros conceituais? O que poderia ser corrigido?
Todos os tópicos relativos a este conteúdo foram contemplados? O que poderia ser
retirado? O que poderia ser acrescentado? O que poderia ser modificado?
- Atividades propostas:
As atividades propostas estão articuladas e adequadas aos textos e ao conteúdo? As
atividades estão organizadas de maneira lógica e gradual? As atividades
proporcionam a problematização do conteúdo com a realidade cotidiana e com a
prática social mais ampla? As atividades propostas encaminham para a aplicação do
conhecimento a novas situações? São propostas atividades práticas? São propostas
atividades individuais? São propostas atividades em grupo?
As atividades estão relacionadas à:
( ) resolução de exercícios;
( ) leitura e interpretação de texto, imagem, gráfico e/ou tabela;
( ) pesquisa;
( ) experimentação;
( ) elaboração de textos/sínteses ou imagens;
( ) confecção de materiais;
( ) outros...
Quais atividades poderiam ser incluídas? Quais atividades poderiam ser retiradas?
Quais atividades poderiam ser modificadas? Quais atividades poderiam ser
corrigidas?
- Desenvolvimento de capacidades de aprendizagem:
Os textos, imagens, ilustrações e atividades propostas proporcionam a discussão e
análise crítica do conteúdo? Os textos apresentam questões de reflexão e
problematização? Os textos, imagens, ilustrações e atividades propostas
proporcionam a problematização do conteúdo com a realidade cotidiana e com a
prática social mais ampla? Quais dimensões do conteúdo são abordadas nos
textos/imagens/ilustrações/gráficos/tabelas?
92
APÊNDICE B
TERMO DE CONSENTIMENTO LIVRE E ESCLARECIDO UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
MESTRADO NACIONAL PROFISSIONAL EM ENSINO DE FÍSICA (MNPEF)
Você está sendo convidado a participar da pesquisa “DO SENSO COMUM AO
CONHECIMENTO CIENTÍFICO: UMA PROPOSTA DIDÁTICO-PEDAGÓGICA PARA O ENSINO DO CONTEÚDO DE INDUÇÃO MAGNÉTICA NO ENSINO MÉDIO”, sob responsabilidade da pesquisadora
Elissandra Beneti Cateli Mangolin, de seu orientador, Prof. Dr. Cesar Vanderlei Deimling e de sua co-orientadora, prof. Dra. Natalia Neves Macedo Deimling.
O objetivo deste estudo consiste em identificar e analisar as contribuições e as limitações dos livros didáticos de Física do ensino médio, tendo em vista, a partir de suas limitações, elaborar, desenvolver e avaliar uma proposta didático-pedagógica para o ensino do conteúdo de indução magnética neste mesmo nível de ensino.
Você foi selecionado porque atende a todos o critério de seleção dos participantes da pesquisa, ou seja, é estudante da disciplina de Física e está regularmente matriculado no terceiro ano do ensino médio.
Sua participação não é obrigatória e a qualquer momento você poderá desistir de participar e retirar seu consentimento. A sua recusa na participação não trará nenhum prejuízo à sua relação com a pesquisadora ou com a Unidade Escolar na qual você estuda.
Sua participação consistirá no acompanhamento, assiduidade e envolvimento nas atividades que serão desenvolvidas pela própria pesquisadora em sala de aula, com estudantes do terceiro ano do ensino médio, sobre o tema de sua Dissertação de Mestrado, segundo objetivo explicitado acima.
A pesquisa será desenvolvida: - No Colégio Estadual Duque de Caxias, pertencente ao Núcleo Regional de Ensino de Goioerê,
em uma turma do terceiro ano regular do ensino médio, no âmbito da disciplina de Física. - No Colégio Estadual Polivalente de Goioerê - Premen I, pertencente ao Núcleo Regional de
Ensino de Goioerê, em uma turma do terceiro ano regular do ensino médio, no âmbito da disciplina de Física.
Essas atividades serão desenvolvidas somente com a autorização do(a) diretor(a) da Unidade Escolar.
Seu consentimento em participar não acarretará desconfortos, gastos financeiros ou riscos de ordem psicológica, Física, moral, acadêmica ou de outra natureza. Sua participação, ao contrário, poderá trazer benefícios, pois você estará participando de uma pesquisa que busca proporcionar aos estudantes da educação básica a compreensão da relação entre os conteúdos científicos estudados na escola e a realidade social mais ampla em que se encontram inseridos, bem como a problematização dessa realidade, em suas diferentes dimensões. Ademais, visamos com este trabalho favorecer a ampliação dos conhecimentos culturais dos estudantes, a fim de que, munidos desses conhecimentos, eles possam utilizá-los como elementos ativos de transformação social.
Os dados da pesquisa serão coletados a partir do desenvolvimento das atividades teórico-experimentais que serão realizadas em sala de aula pela própria pesquisadora e poderão ser gravadas em um aparelho de gravação de áudio. Todas as informações obtidas por meio dessa pesquisa serão confidenciais e asseguramos o sigilo sobre sua participação.
Os resultados serão utilizados para a conclusão da pesquisa acima citada. Os dados coletados durante o estudo serão analisados e apresentados sob a forma de relatórios e serão divulgados por meio de trabalhos apresentados em reuniões científicas, periódicos e da própria Dissertação de Mestrado.
_____________________________________________ Assinatura do Pesquisador
Eu, ________________________________________________, declaro que entendi os objetivos e benefícios de minha participação na pesquisa e concordo em participar.
Goioerê, ______ de ________________ de 2016.
________________________________________________________________ Assinatura do Participante da Pesquisa
93
APÊNDICE – C
Conteúdo - Eletromagnetismo
Prof. Elissandra
Colégio: _____________________________________________________________
Nome: ______________________________________________________________
Idade:______anos
Data: _____/_____/_______
QUESTIONÁRIO ABERTO - INICIAL
1) O imã atrai qualquer tipo de metal? Por quê? Justifique sua resposta.
2) É possível acender um LED com apenas um imã? Como? Justifique sua resposta.
3) Existe a possibilidade de gerar uma força entre uma placa de alumínio e um imã? Por
quê? Justifique sua resposta.
4) Qual a relação entre o Campo Magnético e a Corrente Elétrica? Justifique sua
resposta.
5) Existe relação entre Campo Magnético e o gerador elétrico? Qual? Justifique sua
resposta.
6) O que você entende por Indução Eletromagnética? Ela se encontra presente em nosso
dia a dia? Onde? De que maneira? Por que é importante estuda-la? Justifique sua
resposta.
7) Quem foi Michael Faraday? O que ele propôs? Qual foi sua contribuição para a
Física?
8) O que é fluxo magnético? Qual a relação entre o fluxo magnético e a força
eletromotriz? Justifique sua resposta.
9) O que são correntes de Foucault? Onde podemos encontra-las no dia a dia?
10) Como funciona um transformador elétrico? Para que ele serve? Justifique sua
resposta.
11) O que consome mais energia – chuveiro 127V ou 220V? Justifique sua resposta.
94
Disciplina - Física
Conteúdo - Eletromagnetismo
Prof. Elissandra
Nome: _____________________________________________ Idade:______anos
Nome: ___________________________________________ Idade:______anos
Data: _____/_____/_______
QUESTIONÁRIO ABERTO - FINAL
Agora, com base nos conteúdos trabalhados nas últimas aulas de Física,
respondam as seguintes questões:
1) O imã atrai qualquer tipo de metal? Por quê? Justifiquem sua resposta.
2) É possível acender um LED com apenas um imã? Como? Justifiquem sua resposta.
3) Existe a possibilidade de gerar uma força entre uma placa de alumínio e um imã? Por
quê? Justifiquem sua resposta.
4) Qual a relação entre o Campo Magnético e a Corrente Elétrica? Justifiquem sua
resposta.
5) Existe relação entre Campo Magnético e o gerador elétrico? Qual? Justifiquem sua
resposta.
6) O que você entende por Indução Eletromagnética? Ela se encontra presente em nosso
dia a dia? Onde? De que maneira? Por que é importante estuda-la? Justifiquem sua
resposta.
7) Quem foi Michael Faraday? O que ele propôs? Qual foi sua contribuição para a
Física?
8) O que é fluxo magnético? Qual a relação entre o fluxo magnético e a força
eletromotriz? Justifiquem sua resposta.
9) O que são correntes de Focault? Onde podemos encontra-las no dia a dia?
10) Como funciona um transformador elétrico? Para que ele serve? Justifiquem sua
resposta.
11) O que consome mais energia – chuveiro 127V ou 220V? Justifique sua resposta.
12) O que vocês acharam das atividades desenvolvidas nas últimas aulas? Justifiquem
sua resposta.
13) Essas atividades contribuíram para ampliar o seu conhecimento sobre Indução
Eletromagnética? Vocês conseguiram compreender a relação deste conteúdo com a
realidade? Justifiquem sua resposta.
95
APÊNDICE D
PLANO DE UNIDADE
Instituição: COLÉGIO ESTADUAL DUQUE DE CAXIAS e COLÉGIO ESTADUAL
POLIVANTE DE GOIOERÊ
Professora: ELISSANDRA BENETI CATELI MANGOLIN
Unidade de Conteúdo: ELETROMAGNETISMO
Ano Letivo: 2016
Bimestre: 2° BIMESTRE
Série/ano: 3° ANO
Turma: 3° A e 3° B
H/a: 7
I. Título da Unidade de Conteúdo Eletromagnetismo: Indução Eletromagnética e Correntes de Foucault
II. Objetivo Geral Objetivamos com este plano de unidade proporcionar aos alunos o contato com o
conteúdo de Indução eletromagnética, abordando aspectos fundamentais de seu
formalismo, assim como sua relação com outras grandezas Físicas, como Indutância,
Força Magnética e Energia. Desta forma, buscamos favorecer uma compreensão
mais ampla do conteúdo, costumeiramente não encontrado na maioria dos livros
didáticos que abordam o assunto11.
III. Tópicos do conteúdo e objetivos específicos
- Tópico 1: Lei de Faraday
Objetivo específico: apresentar a história de Michael Faraday, contemplando
aspectos gerais e históricos sobre a indutância e discutindo a Lei de Faraday e suas
aplicações - motor elétrico, gerador, transformador, pêndulo de Foucault. Relacionar o
tópico de conteúdo a algumas situações cotidianas, tais como: fogão elétrico por
indução, freio magnético, forno de indução em siderurgias, entre outros.
11
Após análise em livros didáticos não foi encontrada essa compreensão mais ampla do
conteúdo.
96
- Tópico 2: Indução Eletromagnética;
Objetivo específico: Favorecer, por meio de atividades teórico-práticas, que os
alunos compreendam um campo magnético pode gerar um campo elétrico capaz de
produzir uma corrente, fazendo a ligação entre um campo magnético e o campo
elétrico produzido (induzido). Explicar matematicamente a Lei de Faraday,
relacionando-a com a Lei do Ohm. Discutir efeitos relacionados à indução, como
efeito Joule, força magnética e o transformador.
- Tópico 3: Correntes Induzidas;
Objetivo específico: Permitir que os alunos compreendam como a corrente elétrica é
induzida no interior de um condutor por meio de um campo magnético variável.
Discutir, por meio de atividade teórico-práticas, o surgimento de correntes parasitas
no interior do metal, produzidas pela variação do fluxo.
IV. Vivência do conteúdo – partindo da Prática Social (inicial).
Pré-requisitos: - Campo Magnético;
- Força Magnética;
- Conservação de energia;
- Lei de Ohm;
- Corrente elétrica;
- Potencial Elétrico;
O que os estudantes sabem (senso comum): É possível que os alunos tragam muita informação e pouco conhecimento sobre este
assunto para a sala de aula. Muitos poderão relacionar campo magnético ao imã,
dizendo que a polaridade norte e sul estaria relacionada com o positivo e negativo do
campo elétrico. Da mesma forma, poderão dizer que o transformador gera energia e
que a energia elétrica que chega a sua casa é contínua, uma vez que ainda não
possuem conhecimentos científicos sobre corrente alternada. Podem dizer que ímã
atrai qualquer tipo de metal e tensão de 127V e 220V consomem energia diferentes.
97
O que os estudantes gostariam de saber sobre o conteúdo (possíveis curiosidades): - Como é produzido o Campo Magnético;
- Porque ímã só atrai ferro?;
- A indução eletromagnética sempre é entre dois ímãs?
- Qual o tipo de panela que devo usar em fogões por indução eletromagnética?
- Porque a bússola sempre aponta para o norte?
V. Problematização Dimensão conceitual/científica:
- O que é um ímã? Do que ele é composto?
- O que é Campo Magnético? Onde é encontrado?
- Como funciona um fogão elétrico?
- Qual a relação do eletromagnetismo com a luz?
- Como ascender um LED sem pilha ou bateria?
Dimensão Histórica:
- Quem foi Faraday?
- Como as bússolas contribuíam para navegações marítimas no século passado?
Dimensão social/econômica:
- Qual a contribuição do eletromagnetismo para a compreensão de seu cotidiano?
- Como o eletromagnetismo pode ser aplicado em automóveis? Qual a implicação do
ponto de vista econômico dessa aplicação?
Dimensão ambiental:
- Quais as vantagens e as desvantagens de se ter um fogão elétrico?
- O que seria do nosso planeta Terra se não existisse o Campo Magnético?
VI. Instrumentalização Aula 1: Partindo da prática social inicial dos estudantes – Eletromagnetismo
98
Primeiramente será discutido o conteúdo já abordado sobre
Eletromagnetismo nas aulas anteriores, incluindo Campo Magnético. Logo
após, os alunos receberão um questionário aberto com algumas questões
norteadoras. Por meio dele, buscaremos diagnosticar os conhecimentos
prévios dos alunos sobre indução eletromagnética, correntes de Foucault e a
relação entre fluxo magnético e corrente elétrica.
Recursos a serem utilizados:
Questionário impresso em folha de sulfite;
Quadro;
Giz.
Aula 2: Problematizando e instrumentalizando os estudantes dos conteúdos culturais
– Indução Eletromagnética
Ao iniciar a aula, os alunos participarão de uma breve discussão, retomando
as questões do questionário inicial. Logo após, por meio de uma exposição
dialogada, será abordada a história dos conceitos fundamentais do
Eletromagnetismo e a contribuição de Michael Faraday, sempre simbolizando
os significados das palavras, seja por meio de objetos ou da própria fala. Para
melhor entendimento do conteúdo, será levado para sala de aula alguns
modelos de ímãs com intuito de despertar o interesse dos alunos, fazendo
uma busca do que cada um sabe sobre aquele objeto. Ao longo dessa aula,
introduziremos algumas das questões problematizadoras propostas: - O que é
um ímã? Do que ele é composto? Para desmitificar alguns conceitos
cotidianos, será realizada uma atividade prática em sala de aula – Freio
Magnético I (Apêndice D). Colocaremos um ímã para descer por um tubo de
PVC para observar o tempo de queda. Depois repetiremos o mesmo
movimento em um tubo de cobre, tendo em vista analisar o porquê de os
tempos de quedas serem diferentes. Após essa atividade e das discussões
dos alunos, explicaremos o fenômeno da interação do campo magnético com
o tubo de cobre. A partir do conhecimento prévio dos alunos, faremos as inter-
relações entre teoria e prática e entre conhecimentos cotidianos e científicos,
tendo em vista atingir o potencial e um nível mais elevado e sintético de
compreensão do conteúdo por parte de cada um.
99
Recursos a serem utilizados:
- vídeos;
- slides;
Freio Magnético I (Apêndice E)
Aula 3 e 4: Problematizando e instrumentalizando os estudantes dos conteúdos
culturais – O gerador elétrico
Em seguida, os alunos formarão grupos para confeccionar uma bobina de n
espiras para liga-las a um LED. Perguntaremos o que poderiam fazer para
acender o LED e, após algumas discussões, distribuiremos ímãs aos alunos e
pediremos para que os movimentem dentro da bobina e observem o
fenômeno. Neste momento, explicaremos o fenômeno da indutância e de
sentido da corrente elétrica por meio da “regra da mão direita”. Esta atividade
será avaliada por meio das discussões orais, relatório do experimento e da
elaboração de relatos de aula pelos alunos.
Recursos a serem utilizados:
Gerador Elétrico (Apêndice E):
Aula 5: Problematizando e instrumentalizando os estudantes dos conteúdos culturais
– Correntes de Foucault
Iniciaremos a aula com a retomada do último experimento, sempre corrigindo
o que for necessário no próprio quadro em sala de aula, inclusive os cálculos
matemáticos. Na sequência daremos início a uma aula expositiva dialogada
sobre o fenômeno das correntes parasitas.
Recursos a serem utilizados:
Freio magnético II (Apêndice D)
Aula 6: Problematizando e instrumentalizando os estudantes dos conteúdos culturais
– Transformadores
Nesta aula os alunos, em grupos, realizarão mais uma atividade teórico-
prática, sob a mediação do professor.
Esta atividade permite ao aluno estudar experimentalmente transformadores,
100
por meio de demonstração prática. Relacionar a indução de correntes em
bobinas, Também é discutido o acoplamento magnético entre as bobinas,
visando explicitar as relações existentes entre a variação de tensão, a força
eletromotriz e a Lei de Faraday.
Recursos utilizados:
Transformador Desmontável (APÊNDICE E)
Aula 7: Afinal, o que é indução Eletromagnética e corrente de Foucault? Retornando
à prática social dos estudantes
Nesta aula faremos a retomada de todo o conteúdo estudado nas seis aulas
anteriores, em suas diferentes dimensões. Neste momento, dúvidas serão
pontuadas e novos questionamentos poderão surgir. Ao final das discussões,
será dado a cada aluno um novo questionário (Apêndice C), a fim de que
possamos analisar o quanto e o como eles compreenderam e se apropriaram
do conhecimento científico trabalhado.
VII. Catarse
a) Expressão da Síntese (formas de avaliação): Os alunos serão avaliados no decorrer de todas as aulas a partir de sua participação
e interação nas discussões realizadas, bem como a partir dos questionários (inicial e
final) – Apêndice C - e dos relatórios de atividades teórico-experimentais, conforme o
produto educacional elaborado (Apêndice F)
b) Síntese mental do aluno:
O eletromagnetismo é um campo da ciência extremamente importante para
vida cotidiana, pois sua aplicação dá suporte para o desenvolvimento de um número
imenso de dispositivos. Os discos rígidos são exemplos relevantes da aplicação do
eletromagnetismo que têm impulsionado significativamente o desenvolvimento
tecnológico, pois visam acondicionar o maior volume de informação no menor espaço
possível, magnetizando pequenas porções do disco clamadas de clusters. Esses
campos também estão presentes como geradores elétricos, motores elétricos,
transformadores.
101
A aplicação dessa ciência esta por toda parte. A indução é responsável, por
exemplo, pelo funcionamento das guitarras elétricas que revolucionaram o rock e
ainda são muito usadas na música popular. Também é essencial para a operação dos
geradores que fornecem energia elétrica para nossas cidades e dos fornos de
indução usados na indústria quando grandes quantidades de metal têm que ser
fundidas rapidamente;
Relacionar a corrente elétrica, com o força eletromotriz, sua potência e o efeito
Joule:
Compreender que o ímã gera um campo magnético à sua volta, ele pode ser
feito de minerais com características magnéticas, e que somente adquire a
propriedade de atrair materiais ferromagnéticos por meio do alinhamento dos
momentos magnéticos.
Além do mais entender que o campo magnético pode ser relacionado com uma
força, resultado da interação com outro campo magnético gerado a partir de outro imã
ou corrente elétrica;
Conhecer a história da Michael Faraday, suas contribuições para evolução
científica e comercial para a humanidade, compreender a importância do campo
magnético para o planeta Terra.
Compreender o real efeito da variação do fluxo magnético em induzir uma
corrente elétrica nos materiais paramagnéticos, como o disco de alumínio. Esperamos
também que os alunos saibam relacionar este efeito com o aparecimento da força de
Lorentz, que gera dissipação da energia mecânica do sistema. Transpor esse
aprendizado com o seu dia a dia, como o funcionamento de fornos e fogões por
indução eletromagnética.
Esperamos que alunos compreendam o real funcionamento do transformador,
suas características e benefícios, entender a amplitude de suas tensões, tanto para
aumenta-la como diminuí-la, proporcionalmente ao seu número de espiras. Saber que
seu funcionamento depende de uma corrente alternada, para gerar uma variação de
fluxo, relacionar este efeito com o aparecimento da força de Lorentz, que gera
102
dissipação da energia mecânica do sistema e correntes de Foucault. Transpor esse
aprendizado com o seu dia a dia, como o funcionamento de transformadores públicos,
usinas hidrelétrica, transformadores para aparelhos eletrônicos.
VIII. Retornando à Prática Social (final)
Ao final das aulas sobre Eletromagnetismo, o aluno será capaz de
compreender as propriedades de um ímã, identificar a corrente elétrica por meio do
fluxo magnético, entender a interação da força magnética e de relacionar eletricidade
com o magnetismo. Além disso, serão capazes de compreender que esta força
magnética pode fazer um papel de frenagem por meio das correntes parasitas, sem o
atrito.
103
APÊNDICE E
ATIVIDADES TEÓRICO-PRÁTICAS DE ELETROMAGNETISMO:
DA INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA ÀS CORRENTES DE
FOUCAULT
Organizadores: Elissandra Beneti Cateli Cesar Vanderlei Deimling Natalia Neves Macedo Deimling
104
SUMÁRIO
Apresentação .......................................................................................... 105
1. FREIO MAGNÉTICO I .......................................................................... 108
1.3 Atividade Teórico Prática I .................................................................. 113
2. GERADOR ELÉTRICO ........................................................................ 117
2.3 Atividade Teórico Prática II ................................................................. 122
3. FREIO MAGNÉTICO II ......................................................................... 125
3.3 Atividade Teórico Prática III ................................................................ 131
4. TRANSFORMADOR DESMONTÁVEL ................................................ 136
4.3 Atividade Teórico Prática IV ............................................................... 141
REFERÊNCIAS
APRESENTAÇÃO
105
O estudo da Física no ensino médio é muito importante devido sua
relação com o cotidiano do aluno, faz parte do desenvolvimento do ser
humano, está relacionado com a Ciência Tecnologia e Sociedade – CTS. Um
marco nesta evolução aconteceu no século XIX, quando interligaram o
magnetismo com a eletricidade, o Eletromagnetismo, a partir desta contribuição
a sociedade teve grandes avanços significativos, como motores elétricos,
geradores elétricos, fogões por indução, dentre outros aspectos.
Foi com base nesses princípios que realizamos uma sequência de
Atividades Teórico-Práticas para o Ensino do Eletromagnetismo,
especificamente: A Indução Eletromagnética e as Correntes de Foucault, uma
vez que o mesmo é pouco tratado nas escolas públicas e quando trabalhado,
costumeiramente é desenvolvido de maneira muito superficial.
Trata-se de um material desenvolvido a partir de uma pesquisa de
mestrado, vinculada ao Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física
(MNPEF), desenvolvido na Universidade Tecnológica Federal do Paraná, polo
Campo Mourão, sob a supervisão da Sociedade Brasileira de Física.
O objetivo deste trabalho consistiu em identificar e analisar as
contribuições e as limitações dos livros didáticos de Física do ensino médio12,
tendo em vista, a partir de suas limitações, elaborar, desenvolver e avaliar uma
proposta didático-pedagógica para o ensino de tópicos do conteúdo de
Eletromagnetismo, em especial a relação existente entre a força magnética e
as correntes de Foucault, decorrentes dos efeitos de indução magnética.
Consideramos que este material possa contribuir para uma melhor
aprendizagem dos estudantes do ensino médio sobre este conteúdo.
Esperamos também que esta unidade contribua para a prática docente de
professores de Física desse nível de ensino, tendo em vista oferecer-lhes uma
estratégia didática diferenciada, crítica, coerente e sistematizada que possa
contribuir para o bom desenvolvimento do processo de ensino-aprendizagem.
Sabemos que muitas das dificuldades no ensino de Física não estão
relacionadas apenas a forma como o professor desenvolve os conteúdos em
sala de aula, uma vez que essa forma depende, direta ou indiretamente, dos
princípios e concepções, das finalidades e das condições objetivas e subjetivas
12
Livros adotados pelo Núcleo Regional de Educação de Goioerê, estado do Paraná.
106
que norteiam e permeiam a educação escolar e, mais especificamente, o
processo de ensino-aprendizagem. Entretanto, partindo do princípio de que a
educação, ainda que elemento determinado, não deixa de influenciar o
elemento determinante, consideramos que a forma como os conteúdos são
desenvolvidos em sala de aula também necessita ser ponderada no momento
de análise desse processo, tendo em vista, também, a transformação das
concepções, finalidades e condições que são postas. Assim, se consideramos
a necessidade de um ensino que vise à articulação entre teoria e prática,
precisamos igualmente pensar e em algumas das condições materiais que são
necessárias para que tal articulação seja favorecida dentro de sala de aula.
A despeito das críticas desenvolvidas, o fato é que o professor, mesmo
dispondo de um material que, dadas as suas limitações, pode favorecer o
trabalho com os diferentes conteúdos disciplinares em sala de aula, possui
uma baixa carga horária de trabalho em sala para o desenvolvimento de tais
conteúdos, o que, por sua vez, pode gerar dificuldades no desenvolvimento de
um trabalho aprofundado e problematizador que vise à efetiva articulação entre
teoria e prática no trabalho com os conteúdos em sala de aula.
Há muitas décadas, a discussão sobre a importância da relação entre
teoria e prática e entre conhecimento científico e cotidiano na formação escolar
tem permeado diversos estudos e pesquisas de diferentes áreas do
conhecimento e, em especial, da área de ensino. Todavia, a despeito dos
diferentes estudos e análises já realizadas ou em andamento, observamos
ainda que, em muitas situações, os conteúdos estudados em âmbito escolar
são trabalhados de forma desconexa da prática social, o que, frequentemente,
faz com que os estudantes apresentem algumas dificuldades em relacionar os
conteúdos curriculares à realidade cotidiana.
Por esses e outros motivos, apresentamos a seguir uma sequencia de
atividades teórico-práticas sobre Indução Eletromagnética e correntes de
Foucault, divididas em quatro partes:
Na primeira etapa, buscamos conhecer um pouco da história do
Eletromagnetismo, quem foi Michael Faraday e suas contribuições para a
Física, assim como demonstrar qualitativamente o fenômeno da Indução
Eletromagnética por meio da frenagem do ímã, analisando a queda do mesmo
107
no interior de em tubo condutor, não-ferromagnético (Cobre), em relação a
queda do mesmo ímã no interior de um tubo de material isolante (PVC).
Na segunda etapa, objetivamos demonstrar qualitativamente a Lei de
Faraday, ou seja, que a força eletromotriz induzida numa bobina é diretamente
proporcional à variação do fluxo magnético nela e inversamente proporcional
ao intervalo de tempo em que essa variação ocorre. Queremos também discutir
de maneira prática como a Lei de Lenz é aplicada em diferentes situações. Ao
final dessa etapa, relacionaremos o conceito de conservação de energia
mecânica com o conteúdo de eletromagnetismo;
Na terceira etapa, propomos a observação do fenômeno físico muito
importante, as correntes de Foucault, que surgem em qualquer condutor
exposto a uma variação de fluxo magnético. Para exemplificar esse fenômeno,
usaremos um disco condutor de alumínio (paramagnético) exposto a um fluxo
variável do campo magnético. Também iremos avaliar e discutir diferenças
causadas pela intensidade de fluxo magnético aplicado no disco, assim como
variando também o formato dos mesmos. Ao final, esperamos que os alunos
sejam capazes de relacionar o conceito de conservação de energia mecânica
com o conteúdo de eletromagnetismo.
Na quarta etapa, buscamos abordar experimentalmente o funcionamento
dos transformadores por meio de demonstração, bem como relacionar a
indução de correntes em bobinas e discutir o acoplamento magnético. Por final,
verificaremos a relação existente entre a variação de tensão e a força
eletromotriz com a Lei de Faraday.
Todas essas etapas foram elaboradas com base em um Plano de
Unidade, disponível para consulta em anexo a este material. Todas as
atividades propostas e desenvolvidas têm como base teórico-metodológica a
Pedagogia Histórico-Crítica, a qual propõe, entre outros aspectos, a
abordagem dos conteúdos em suas diferentes dimensões, tendo em vista a
problematização da prática social.
Esperamos que este material possa contribuir para sua prática docente.
108
ATIVIDADE TEÓRICO-PRÁTICA I
1.1 Objetivo: Demonstrar qualitativamente a frenagem do ímã quando deixado cair no interior de em tubo condutor não-ferromagnético (Cobre) em relação a queda do mesmo ímã no interior de um tubo de material isolante (PVC).
1.2 Fundamentação Teórica:
Para compreendermos Freio Magnético temos que voltar um pouco para
entendermos as origens do Eletromagnetismo.
O eletromagnetismo busca explicar a relação entre o magnetismo e a
eletricidade. Um dos conceito-chave é o de campo eletromagnético.
Como é abordado por Gaspar (2011), o conceito de campo surgiu com a
observação de que um ímã alterava as propriedades da região próxima a ele. Esse efeito
produzido nas vizinhanças do imã que foi chamada de campo magnético. Surgiram assim
estudos que buscavam relacionar o campo magnético com outros ramos da Física, como
por exemplo, a eletricidade.
A abordagem histórica nos mostra um pouco das
contribuições que o pesquisador Michael Faraday, mostrado na
Figura 1, físico e químico inglês fez ao longo de seus estudos.
Na Física contribuiu com os estudos do Eletromagnetismo,
verificando que a variação do fluxo magnético gerava uma
corrente induzida. Inicialmente, Faraday não conseguiu chegar a
uma lei que indicasse como
determinar o sentido da corrente induzida. Foi somente no ano
de 1834, poucos anos após a publicação dos trabalhos de
Faraday, que o físico russo Heinrich F.E. Lenz apresentou uma
regra, atualmente conhecida como Lei de Lenz, que permite
indicar o sentido da corrente induzida.
Conforme a Lei de Lenz, quando um ímã se
1. Freio Magnético I
O que ocorre ao aproximar
um ímã de uma bobina
(espira)?
Mas, afinal, o que é eletromagnetismo?
02 Horas Aula
Figura 1: Imagem de Michael
Faraday (1791-1867)
109
aproxima de uma espira, surge uma corrente induzida na espira. Essa corrente faz surgir um
campo magnético, cujo sentido pode ser determinado pela regra da mão direita. Ao aplicar
essa regra verifica-se que o campo magnético induzindo pela espira tem sentido oposto ao
campo magnético do ímã. Uma visão simplificada do problema pode ser obtida imaginando
que a espira possui um comportamento análogo ao de um magneto com polaridade invertida
ao do imã, oferecendo dessa maneira uma força repulsiva durante a aproximação. Uma vez
que o movimento do imã cessa, a corrente elétrica na espira se torna nula, indicando que a
sua existência está condicionada à variação de fluxo magnético gerada pelo movimento do
imã. Se fizermos o contrário, ao afastarmos o ímã da bobina perceberemos que a corrente
induzida apresenta sentido contrário ao da situação anterior e ao utilizar novamente a regra
da mão direita é possível perceber que o campo magnético criado pela corrente induzida na
espira tem o mesmo sentido do campo magnético do ímã. Abaixo a Figura 2 apresenta
esquematicamente a Lei de Lenz, ilustrando os casos de aproximação e afastamento do
imã.
Figura 2: Demonstração da relação entre a corrente elétrica e a variação do fluxo magnético. Na imagem (a) o ímã está se aproximando da espira, que gera uma corrente induzida do sentido anti-
horário, esta por vez gera um campo magnético contrário, imagem (b), dificultando a entrada do ímã. Uma vez que o ímã entrou na bobina e quer se afastar, como representado na imagem (c), a variação do fluxo magnético produz uma corrente induzida no sentido horário, gerando um campo magnético
oposto ao do ímã, impedindo-o de sair, como mostra a imagem (d). Fonte: Serway-2006
110
As equações 1 e 2 descritas abaixo, demonstram a relação entre o fluxo
magnético e a força eletromotriz:
Ao fazer essas observações Lenz concluiu na Lei de Faraday foi que o sentido da
corrente é o oposto da variação do campo magnético que lhe deu origem, por isso o sinal
negativo na Equação 1. Já na equação
2 é demonstrado que o fluxo depende
da área que o campo magnético está
atravessando. Assim sendo, Lenz
formulou uma lei que ficou conhecida
como a Lei de Lenz e pode ser
enunciada da seguinte forma:
É bem sabido que quando um
ímã é movimentado nas imediações de uma espira condutora a Lei de Faraday prediz a
ocorrência de uma força eletromotriz induzida na espira. A força eletromotriz induzida é
consequência da variação do fluxo
magnético produzido pelo magneto que se
aproxima ou se afasta da espira. A
existência de uma força eletromotriz sobre
um circuito condutor fechado (a espira)
causa o aparecimento de uma corrente
elétrica e, devido à resistência elétrica da
espira, ocorre dissipação de energia,
(SILVEIRA; LEVIN e RIZZATO, 2007).
Esta força de frenagem no ímã é
maior se a velocidade dele em relação à
espira for maior, pois, de acordo com a Lei
de Faraday, o valor da força eletromotriz induzida na espira depende da rapidez com a qual
o fluxo magnético varia através da espira. Essa afirmação pode ser visualizada com mais
A corrente induzida em um circuito
aparece sempre com um sentido tal
que o campo magnético que ela cria
tende a contrariar à variação do
fluxo magnético através da espira.
Você sabia:
Podemos predizer que o ímã sofrerá
uma força magnética em oposição ao
seu movimento de aproximação ou de
afastamento da espira. Ou seja,
quando um magneto é movimentado
nas imediações de uma espira
condutora, em consequência da
corrente induzida, o ímã é freado!
1
2
1 ⟹ Força Eletromotriz Induzida, unidade de medida é Volts (V);
dФ ⟹ Variação do fluxo, unidade de medida é Weber (Wb);
dt ⟹ Variação do tempo, unidade de medida é segundos (s);
2 Ф ⟹ Fluxo magnético, unidade de medida é Weber (Wb);
B ⟹ Campo magnético, unidade de medida é Tesla (T);
A ⟹ Área, unidade de medida é metros quadrados (m2).
111
facilidade por meio do simulador que está representado na Figura 3, e pode ser encontrado
facilmente no site do programa Phet da universidade do Colorado13.
Figura 3: Simulador da Lei de Faraday
Por outro lado, quanto maior for a força eletromotriz, tanto maior será a corrente
induzida. Consequentemente, como a força magnética de frenagem depende da corrente
induzida, a força aumenta quando cresce a velocidade do ímã em relação à espira (este
comportamento é análogo ao que acontece quando um objeto se move através de fluído
viscoso). (SILVEIRA; LEVIN e RIZZATO, 2007). Neste sentido, a Figura 4 representa um
magneto se deslocando no interior de um tubo condutor. Podemos imaginar o tubo condutor
como sendo constituído pela justaposição de muitas espiras condutoras das quais apenas
duas estão indicadas na Figura.
Figura 4: Demonstração da queda do ímã Fonte: Adaptada de (SILVEIRA; LEVIN e RIZZATO, 2007).
Como o fluxo magnético através do tubo, que pode ser comparado como uma série
de espiras empilhadas, está variando em decorrência do movimento de queda do magneto,
surgem correntes induzidas ao longo da circunferência do tubo, que por sua vez, geram
forças magnéticas que oferecem resistência à queda do ímã. Conforme aumenta a
velocidade de queda do magneto, cresce também a força magnética obtida a partir da
13
Figura obtida a partir de um simulador encontrado no site:
https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/legacy/faradays-law
112
interação do campo magnético gerado pelas correntes induzidas no cano e o campo
magnético do imã. Logo após o início da queda do imã, é atingida a velocidade terminal, a
partir da qual o movimento vertical apresenta velocidade constante, ou seja, a força
magnética apresenta a mesma intensidade da força gravitacional (força peso) exercida
sobre o ímã. Neste caso toda a potência desenvolvida pelo trabalho da força peso será igual
ao módulo da potência associada às correntes induzidas no cano. Neste caso, Figura 5 o
magneto que cai com velocidade constante, converte energia potencial gravitacional
integralmente em calor devido ao efeito Joule relacionado com as correntes induzidas no
tubo14.
Figura 5: Demonstração da Potência da variação do fluxo. Fonte: adaptado de http://www.blogdovestibular.com
14
Texto modificado do artigo ‘A frenagem eletromagnética de um ímã que cai+’ publicado no
Caderno Brasileiro de Ensino de Física, Florianópolis, v. 24, n.3: p. 295-318, dez. 2007,
autores: Silveira, F. L; Levin, Y; Rizzato, F. B; todos do Instituto de Física – UFRGS.
113
Materiais Utilizados - 1 metro de tubo (25mm) de material isolante, tipo PVC; - 1 metro de tubo (25mm) de material condutor não-ferromagnético, como o Cobre; - 1 ímã (20mm) de neodímio; - 1 cronometro Procedimento:
Segure o tubo de PVC na posição vertical, coloque o ímã na parte superior e solte-o acionando o cronômetro simultaneamente, permitindo com que caia em queda-livre. repita o procedimento no tubo de Cobre (Cu).
Figura 6: Procedimento do Experimento
Responda
1) O tempo de queda do ímã nos tubo de PVC e no tubo de Cobre foram iguais? Justifique:
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
2) O que acontece quando o ímã passa pelo tubo de PVC e no outro de cobre (Cu)?
Justifique:
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
1.3 ATIVIDADE PRÁTICA I
114
3) Esboce na sua concepção como as correntes induzidas se comportam em cada cano:
4) Um ímã desliza por dentro de um cano de cobre, de comprimento de 0,6 m, saindo do mesmo com velocidade vf = 0,2 m/s. Determine qual o valor da Energia Térmica dissipada no cano do cobre? Considerando que toda a energia potencial inicial seja convertida integralmente em energia térmica e energia cinética final, determine a variação de temperatura do cano de cobre ao final da queda do imã. Dados: A massa do ímã vale m = 30g e do cano M = 150g e que o calor específico do cobre vale c = 388 J/kg.°C,
O que esperamos ao final desta atividade?
Ao final desta atividade sobre Indução Eletromagnética, esperamos que o
aluno seja capaz de compreender as propriedades de um ímã, de identificar a corrente
elétrica por meio do fluxo magnético, de entender a interação da força magnética e de
relacionar eletricidade com o magnetismo. Além disso, esperamos que sejam capazes
de compreender que esta força magnética pode fazer um papel de frenagem por meio
das correntes induzidas.
115
QUESTÕES PROPOSTAS 01-(FATEC-SP) Em qualquer tempo da história da Física, cientistas buscaram unificar algumas teorias e áreas de atuação. Hans Christian Oersted, físico dinamarquês, conseguiu prever a existência de ligação entre duas áreas da Física, ao formular a tese de que quando duas cargas elétricas estão em movimento, manifesta-se entre elas, além da força eletrostática, uma outra força, denominada força magnética. Este feito levou a Física a uma nova área de conhecimento denominada: a) eletricidade. b) magnetostática. c) eletroeletrônica. d) eletromagnetismo. e) indução eletromagnética. 02- (FUVEST- SP) Um imã preso a um carrinho desloca-se com velocidade constante ao longo de um trilho horizontal. Envolvendo o trilho há uma espira metálica, como mostra a figura.
Pode-se afirmar que, na espira, a corrente elétrica: a) é sempre nula; b) existe somente quando o imã se aproxima da espira; c) existe somente quando o imã está dentro da espira; d) existe somente quando imã se afasta da espira; e) existe quando o imã se aproxima ou se afasta da espira. 03-(CFT-MG) Um aluno desenhou as figuras 1, 2, 3 e 4, indicando a velocidade do ímã em relação ao anel de alumínio e o sentido da corrente nele induzida, para representar um fenômeno de indução eletromagnética.
A alternativa que representa uma situação fisicamente correta é a)1 b) 2 c) 3 d) 4 04-(PUC-PR) Um ímã natural está próximo a um anel condutor, conforme a figura.
116
Considere as proposições: I. Se existir movimento relativo entre eles, haverá variação do fluxo magnético através do anel e corrente induzida. II. Se não houver movimento relativo entre eles, existirá fluxo magnético através do anel, mas não corrente induzida. III. O sentido da corrente induzida não depende da aproximação ou afastamento do ímã em relação ao anel. Estão corretas: a) Todas b) Somente III c) Somente I e II d) Somente I e III e) Somente II e III 05-(UNEMAT-MT) A figura mostra um imã caindo dentro de um tubo preso a um suporte.
De acordo com o experimento, assinale a alternativa correta. a. A velocidade do imã aumenta se o tubo for de ferro. b. O imã cai mais rapidamente se o tubo for de plástico, ao invés de alumínio. c. O tempo de queda do imã é o mesmo se o tubo for de ferro ou alumínio. d. Enquanto o imã cai no interior do tubo de plástico, há uma corrente induzida no tubo. e. O tempo de queda só depende do peso do imã, independentemente se o tubo for de plástico ou de alumínio.
117
ATIVIDADE TEÓRICO-PRÁTICA II
2.1 Objetivo: Demonstrar qualitativamente que a força eletromotriz induzida numa bobina é diretamente proporcional à variação do fluxo magnético nela e inversamente proporcional ao intervalo de tempo em que essa variação ocorre. Discutir de maneira prática como a Lei de Lenz é aplicada em diferentes situações. Relacionar o conceito de conservação de energia mecânica com o conteúdo de eletromagnetismo.
2.2 Fundamentação teórica:
Para compreendermos Gerador Elétrico, temos que voltar um pouco para relembrar
o que são correntes elétricas!
A corrente elétrica se estabelece em um condutor quando nele for aplicado um
campo elétrico. Este campo elétrico atua sobre as cargas (elétrons) presentes nos materiais
condutores. Os condutores, por sua vez, definem uma classe de materiais que possuem
parte de seus elétrons fracamente ligados aos átomos, possibilitando com que baixos
campos promovam o seu movimento, dando origem à corrente elétrica.
Desde que o professor dinamarquês de físico Hans Christian Oersted (1777 –
1851), em 1820, descobriu que uma corrente elétrica gera um campo magnético, a
simetria das relações entre o magnetismo e a eletricidade levou Michael Faraday a
acreditar na proposição inversa: se há uma corrente elétrica induzida na bobina, há
também uma força eletromotriz induzida, pois sem energia os portadores de carga não
se movimentam, (GASPAR, 2011).
A questão era saber como isso poderia ser
feito, o que acabou sendo descoberto pelo
próprio Faraday, em 1831, quando percebeu
que o aparecimento da corrente elétrica em
uma bobina ocorria devido uma variação do
campo magnético, que aparecia quando um imã era aproximado ou afastado da
mesma e desaparecia quando o movimento era cessado, conforme mostra a Figura 7.
2.GERADOR ELÉTRICO
É possível acender um
LED apenas com ímãs?
02 Horas Aula
118
Figura 7: Esquema do experimento de Faraday Fonte: https://sites.google.com/site/fisica2palacios/magnetismo/induccion-
electromagnetica
Essa variação de campo magnético foi representada esquematicamente por
meio de linhas de campo. A variação de número de linhas de campo magnético no
interior de uma bobina gera o aparecimento de uma força eletromotriz induzida.
Faraday fez ainda inúmeras experiências até formular a lei que hoje recebe seu nome.
Também chamada de lei da indução magnética, esta lei, elaborada a partir de
contribuições de Michael Faraday, Franz Ernst
Neumann e Heinrich Lenz entre 1831 e 1845, quantifica
a indução eletromagnética.
A lei de Faraday-Neumann relaciona a força
eletromotriz gerada entre os terminais de um condutor
sujeito à variação de fluxo magnético em um intervalo
de tempo, sendo expressa matematicamente por:
é a força elétrica induzida em volts (V)
∆ϕ é a variação do fluxo em weber (Wb)
∆t é a variação do tempo em segundos (s)
O sinal negativo da Expressão 4 é uma
consequência da Lei de Lenz, que diz que a
corrente induzida tem um sentido que gera um
fluxo induzido oposto ao fluxo gerador.
Deve-se observar, de passagem, que o nome força eletromotriz, dado a essa
grandeza, é mantido por questões históricas. Essa grandeza não representa
fisicamente uma força e sim, uma diferença de potencial elétrico.
De acordo com a Lei de Lenz, quando o ímã é
aproximado ou afastado da espira, uma força magnética
oferece resistência ao movimento e, portanto, é preciso
realizar um trabalho positivo para executar o movimento. Ao
mesmo tempo, uma energia térmica é produzida na espira
por causa da passagem da corrente elétrica pelos fios da
bobina, que apresentam uma pequena resistência elétrica.
A energia transferida ao ímã pela força aplicada acaba sendo transformada em
energia térmica. Uma abordagem mais completa deste fenômeno deve também
considerar a energia irradiada pelas espiras na forma de ondas eletromagnéticas
durante a indução (usualmente essa energia é pequena e por isso pode ser
desprezada). Quanto mais rápido o movimento do ímã, mais trabalho é realizado em
Você Sabia?
a corrente elétrica induzida ( num circuito
gera um campo magnético ( que se opõe à
variação do fluxo magnético que induz essa
corrente)
Qual a relação
entre Indução
e Energia?
119
um dado intervalo de tempo e maior será a potência convertida em energia elétrica
pelo dispositivo. Essa energia elétrica poderá por sua vez ser convertida em outras
formas de energia, como por exemplo, energia térmica e energia luminosa. A Figura 8
ilustra a indução de correntes por meio de um imã.
Figura 8: Esquema da Lei de Lenz, no momento em que o ímã se aproxima da bobina. Fonte: (https://www.youtube.com/watch?v=GMP14t9mgrc).
Qualquer que seja a forma como a corrente é induzida, parte da energia
sempre é transformada em energia térmica durante o processo (a menos que a espira
seja supercondutora) por causa da resistência elétrica do material de que é feita a
bobina (MOURA, 2011).
O movimento do ímã induz na espira forças eletromotrizes que geram correntes
elétricas. Essas correntes induzidas geram campos magnéticos que se opõem ao
campo do imã. A Figura 9 apresenta o perfil do campo magnético gerado por
correntes que percorrem condutores com diferentes formatos.
Figura 9: Demonstração do sentido do campo magnético gerado pela passagem da corrente elétrica em um condutor.
Fonte: http://www.barrascarpetta.org/01_ele/m_1/m1_u0.htm
Para exemplificar o sentido do campo magnético gerado por uma corrente
elétrica, torna-se conveniente o uso da regra da mão direita. Por exemplo,
considerando um fio condutor retilíneo, alinhando o polegar no sentido da corrente
elétrica, os demais dedos da mão direita indicarão o sentido do campo magnético,
conforme representado na Figura 10. Também podemos utilizar a regra da mão direita
a)
120
invertendo o seu “ajuste”, como por exemplo, quando tratamos o campo magnético
gerado no interior de uma espira. Neste caso, alinhando os dedos no sentido da
corrente elétrica, o polegar da mão direita indicará o sentido do campo magnético15.
Figura 10: O condutor retilíneo percorrido por uma corrente de intensidade i gera um campo magnético
circular com centro próprio condutor, cujo vetor campo magnético tem direção e sentido dados pela
regra da mão direita Modificado da Fonte: http://educacao.uol.com.br/disciplinas/fisica
Relacionando a Regra da mão direita com a Lei de Faraday, entendemos
que o sentido da corrente em um condutor deve ser tal que gere um
fluxo magnético oposto à variação que a criou
O fluxo magnético, também denotado como fluxo do campo magnético, está
relacionado ao número de linhas de campo magnético que atravessam determinada
superfície de área (A). Como mostra a Figura 11.
Figura 11: Linhas de campo magnético atravessando uma superfície plana.
Fonte: http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/fluxo-magnetico.htm
15 De uma maneira geral, o vetor campo magnético sempre poderá ser obtido por meio da Lei de Biot-
Savart.
Conheça a Regra da Mão Direita:
Você sabe o que é
fluxo magnético?
121
Desta forma, podemos dizer que o número de linhas de campo que atravessam
uma superfície plana, de área A, colocada perpendicularmente a um campo
magnético, é proporcional ao produto do campo magnético pela área da superfície, (B
. A). Esse produto recebeu o nome de fluxo de B (ou fluxo magnético), Equação 5,
através da superfície, sendo representado por ϕ, (SILVA). Assim, temos:
Onde:
ϕ – fluxo magnético (Wb=T.m2)
B – campo magnético (T)
A – área da superfície plana (m2)
De acordo com a equação abaixo temos uma espira de área A imersa em um
campo magnético uniforme. O ângulo formado entre o campo B e o vetor n normal ao
plano da espira é θ. Assim, para calcular o fluxo magnético B através da espira temos
que levar em consideração o ângulo, como representado na Equação 6. Portanto,
temos que:
No S.I. (Sistema Internacional de Unidades) a unidade de fluxo denomina-se
weber (Wb).
Neste sentido, o experimento descrito a seguir visa contextualizar as ideias
sobre a indução eletromagnética, relacionando o surgimento da corrente elétrica em
uma bobina mediante a variação de fluxo magnético gerado por um
imã.
Materiais Utilizados
- Tubo aquatherm 28 mm;
- Fio de cobre (fino ~ AWG 28);
- Um ímã de neodímio de 22mm;
- Fita crepe ou isolante;
- LED (3 V).
2.3 ATIVIDADE PRÁTICA II
122
Procedimento:
1) Pegue o tubo, separe 2cm do seu centro e passe cinco voltas de fita
isolante em cada extremidade, formando uma “barreira”;
2) Enrole o fio de cobre entre as “barreiras” de modo organizado para formar a
bobina (fazer em média 100 espiras), deixando de sobra as extremidades do
fio, aproximadamente 10cm, fixe-o na bobina com a fita isolante deixando as
pontas soltas;
3) Lixe as pontas extremidades do fio e conecte o LED, logo após fixe-o na
parte superior do tubo de maneira que o sistema possa suportar a agitação;
4) Agora coloque o ímã dentro do tubo e agite-o, de forma que atravesse a
bobina completamente.
Imagem 1: Esquema do gerador Elétrico
Discussão: 1) Por que o LED acende? _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 2) A intensidade da luz depende da velocidade com que os ímãs passam pela bobina? _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3) A partir desse experimento, explique a equação de Faraday
,
representando o imã, a bobina, as linhas de campo a velocidade do imã e a direção da corrente elétrica na bobina. Pode esquematizar.
123
4) O LED acende em qualquer posição que o ímã possua no interior do cano? Justifique: _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ O que esperamos ao final desta atividade?
Ao final desta atividade sobre Gerador Elétrico, esperamos que o aluno
seja capaz de compreender que força eletromotriz induzida numa espira
(bobina), é diretamente proporcional à variação do fluxo magnético que
atravessa e inversamente proporcional ao intervalor de tempo em que essa
variação ocorre. Entender que a ciência está no seu alcance, despertando a
motivação para o conhecimento científico. Também esperamos que o aluno
possa fazer relações entre o conhecimento de senso comum e o conhecimento
científico, por meio da abordagem qualitativa proposta ao longo dessa atividade
teórica-experimental.
QUESTIONÁRIO PROPOSTO 1) (UFMG) A corrente elétrica induzida em uma espira circular será: a) nula, quando o fluxo magnético que atravessa a espira for constante. b) inversamente proporcional à variação do fluxo magnético com o tempo. c) no mesmo sentido da variação do fluxo magnético. d) tanto maior quanto maior for a resistência da espira. e) sempre a mesma, qualquer que seja a resistência da espira. 2) (Fund. Carlos Chagas-SP) Uma espira circular é percorrida por uma corrente elétrica contínua, de intensidade constante. Quais são as características do vetor campo magnético no centro da espira? Ele: a) é constante e perpendicular ao plano da espira b) é constante e paralelo ao plano da espira c) é nulo no centro da espira
124
d) é variável e perpendicular ao plano da espira e) é variável e paralelo ao plano da espira
3) A figura representa uma espira circular de raio r, ligada a um galvanômetro
G com "zero" central. O imã F pode mover-se nos sentidos C ou D.
Considere as afirmativas: I. Se o imã se aproximar da espira, aparecerá na mesma uma corrente com o sentido A. II. Se o imã se afastar da espira, aparecerá na mesma uma corrente com o sentido A. III. Se os pólos do imã forem invertidos e o mesmo se aproximar da espira, aparecerá na mesma uma corrente com sentido B. Assinale: a) Só a afirmativa I é correta. b) Só a afirmativa II é correta. c) São corretas as afirmativas I e III d) São corretas as afirmativas II e III e) n.d.a 4) (UFV-MG)- A figura abaixo ilustra um ímã cilíndrico que é abandonado acima de uma espira condutora situada num plano horizontal, no campo gravitacional da Terra. Após abandonado, o ímã cai verticalmente passando pelo centro da espira.
Desprezando-se a resistência do ar, é CORRETO afirmar que as forças que a bobina exerce no ímã quando este está se aproximando e, depois, se afastando da mesma são, respectivamente: a) vertical para baixo e vertical para baixo. b) vertical para cima e vertical para baixo. c) vertical para cima e vertical para cima. d) vertical para baixo e nula. e) nula e vertical para cima. 5) Uma espira retangular, com 15cm de largura, por 20cm de comprimento encontra-se imersa em um campo de indução magnética uniforme e constante,
125
de módulo 10T. As linhas de indução formam um ângulo de 30° com o plano da espira, conforme mostra a figura:
Qual é o valor do fluxo de indução magnética que passa pela espira? 6) Uma espira constituída por um fio condutor retangular é empurrada perpendicularmente às linhas de indução magnética de um campo magnético uniforme perpendicular à folha, até sair pelo outro lado, como mostra a figura. Determine o sentido da corrente induzida na espira em cada uma das representações I, II e III.
ATIVIDADE TEÓRICO-PRÁTICA III
3.1 Objetivo: Esta atividade propõe a observação do fenômeno físico muito importante, as correntes de Foucault, que surgem em qualquer material condutor exposto a um fluxo variável de campo magnético. Ao longo da atividade prática, iremos discutir os diversos efeitos causados por esta variação de fluxo magnético, que agirá sobre discos de alumínio com diferentes formatos. Ao final, esperamos que os alunos sejam capazes de relacionar o conceito de conservação de energia mecânica com o conteúdo de eletromagnetismo, assim como compreender que é possível gerar força magnética entre um material paramagnético (alumínio) e um imã.
3. FREIO MAGNÉTICO II
01 Hora Aula
126
3.2 Fundamentação teórica:
Antes de iniciarmos nossa atividade teórico-prática, vamos entender melhor a
teoria que embasa o fenômeno das correntes de Foucault também conhecida como
correntes parasitas.
Para entender o que são as Correntes de Foucault, é
necessário lembrar-se de três fatos muito importantes na História
do Eletromagnetismo. Os
três fatos ocorreram no
século XIX. No primeiro,
o professor dinamarquês
Hans Christian Oersted
conseguiu comprovar, a
partir dos seus experimentos, que quando
uma corrente elétrica passava ao longo de um
fio aparecia um campo magnético em seu
entorno. Quase que imediatamente, o físico
francês Andrè Marie Ampère, verificou a
interação entre a corrente e um imã, e por
último, Michael Faraday esclarece que a força
eletromotriz induzida numa bobina é
diretamente proporcional à variação do
fluxo magnético nela e inversamente
proporcional ao intervalo de tempo em que essa variação ocorre, (PAULA).
A partir destas descobertas, por
volta de 1855 Jean Bernard Leon
Foucault observou que quando um
disco de cobre era colocado entre os
pólos de um magneto era preciso mais
força para fazê-lo girar do que quando
não havia o magneto. Esse fato ocorre
devido ao surgimento de correntes
parasitas no interior do metal
produzidas pela variação do fluxo
magnético em decorrência do
movimento do disco, representado na Figura 13, (SILVA, Paula).
O francês Jean Bernard Léon
Foucault (1819 - 1868), Figura 12,
desde jovem manifestou vivo
interesse pela Física experimental,
abandonando a prática da medicina
logo após a conclusão do curso.
Em 1850, Foucault determinou
experimentalmente a velocidade da
luz. Em 1852, inventou o
giroscópio. Deve-se a ele a
descoberta das correntes de
indução nos metais em função da
variação do fluxo magnético,
posteriormente chamadas de
Correntes de Foucault.
Essa variação de fluxo magnético induz uma
f.e.m. (força eletromotriz) no corpo, que
determina, por sua vez, o aparecimento de
uma corrente elétrica no volume do disco
submetido à essa variação. Essa corrente
induzida gera um novo campo magnético que
se opõe ao campo magnético indutor (lei de
Lenz).
Figura 12: Imagem de
Jean Bernard Léon
Foucault
127
Figura 13: Esquema de um disco paramagnético (alumínio) girando entre os pólos dos magnetos.
Fonte: http://www.estudopratico.com.br/corrente-de-foucault-historico-e-o-que-ocorre-nela/
Até o momento, analisamos casos nos quais as correntes elétricas induzidas
em um circuito fixo, por exemplo, em uma espira, quando exposto a um fluxo
magnético variável. O que Foucault verificou e que essa variação de fluxo pode ser
também gerada em uma superfície condutora exposta a um campo magnético
constante, desde que exista movimento entre a superfície e a fonte de campo.
Partindo do experimento de Foucault, ao girar o disco áreas que não estavam
expostas ao campo magnético passarão a estar expostas. Em consequência, surgirão
corrente induzidas - as correntes de Foucault – nessas áreas que terão sentido dado
pela Lei de Lenz. A Figura 14 que segue abaixo, apresenta mais detalhadamente as
relações existentes entre o campo, a corrente e a força magnética no experimento de
Foucault.
Figura 14: Esquema simplificado ilustrando o surgimento de uma força contrária ao movimento do disco devido à presença de correntes de Foucault.
Fonte: Souza, R. D (2005)
128
Uma das consequências do aparecimento das correntes de Foucault é a
dissipação de energia por efeito Joule, causando um grande aumento de temperatura.
O aumento da temperatura, por exemplo, permite que estas correntes sejam utilizadas
como fonte de calor em um forno ou fogão de indução.
No entanto, em alguns casos (como nos circuitos eletrônicos), a dissipação por
efeito Joule é um resultado bastante indesejável, porque pode danificar os seus
componentes. Para diminuir ou evitar a dissipação por efeito Joule, utiliza-se
frequentemente materiais laminados, formados por associações de placas isoladas
entre si.
Abaixo apresentamos um equacionamento que auxilia a sistematizar a
compreensão dos efeitos relacionados às correntes de Foucault induzidas no disco.
Sempre que existe uma variação de fluxo magnético em uma região do disco, surge
também uma força eletromotriz induzida, conforme descreve a lei de Faraday,
relembrando a Equação 4:
onde Δ é a variação de fluxo magnético [Wb] e Δt é o intervalo de tempo [s].
Considerando constante o campo em uma dada região do imã (A’), poderíamos
calcular o fluxo magnético nessa área como sendo o produto do campo pela área na
qual está submetido.
Essa força eletromotriz está relacionada com a corrente elétrica por meio da 1ª
Lei de Ohm, dada por:
, onde R é a resistência medida em ohms [] e i é a corrente elétrica medida em
amperes [A]. Sendo assim, em decorrência da existência de uma corrente elétrica em
uma região onde existe campo, é gerada uma força, também conhecida como força de
Lorentz, dada pela Equação 8:
Onde F é a força em newtons [N], i é a corrente, L [m] é o comprimento do fio ou da
região percorrida pela corrente que sente a influência do campo magnético, B é o
campo magnético e θ define o ângulo entre a corrente e o campo magnético. Esta
força é sempre oposta ao movimento e por esse motivo, pode ser feita uma analogia
entre ela e a força de atrito. Além do mais, assim como a força de atrito, a força de
Lorentz é uma força dissipativa, ou seja, o trabalho relacionado a essa força reduz a
129
energia mecânica do sistema, sendo convertido integralmente em calor, causando o
aquecimento do disco. Analisando a Figura 15, podemos entender melhor como é
obtido o sentido da força magnética usando a regra da mão direita, que neste caso
está relacionada com o sentido da corrente e do campo magnético16. Inicialmente,
posicionamos a palma da mão direita na direção do primeiro vetor que compõe a
sentença, neste caso, o segmento de fio que orientado na direção da corrente elétrica.
Em seguida, a palma da mão direita deve ser rotacionada por um ângulo menor que
180 graus até atingir o segundo vetor da sentença, neste caso o campo magnético. Ao
terminar essa rotação o polegar indicará a direção e o sentido da força magnética.
Figura 15: Representação da Regra da mão Direita, aplicada à corrente elétrica e ao Campo Magnético.
Fonte: Halliday (7ª Edição)
Retomando o experimento realizado por Foucault, podemos associar à força
magnética que atua no disco o trabalho, que por sua vez, pode ser relacionado com a
potência dissipada, dessa forma, a potência (P) dissipada pela passagem da corrente
elétrica em um fio (i), está relacionada com a resistência elétrica (R) conforme as
Equações (9) e (10), descritas logo abaixo:
(9)
(10)
Uma vez que essa potência dissipada pode ser diretamente proporcional a
força eletromotriz ( ) e inversamente proporcional à resistência do material R.
Lembrando que a unidade de medida da potência é o trabalho realizado inverso ao
tempo (J/s), mais conhecida como Watts (W).
Analisando o movimento do disco, que gira com parte de sua área exposta a
um campo magnético de um imã aplicado de maneira perpendicular ao plano do disco,
podemos definir uma potência relacionada ao trabalho produzido pela força de Lorentz
[Watt = J/s] proveniente da interação da corrente induzida com o campo magnético
16
A regra da mão direita sempre pode ser usada para obter a direção de um vetor calculado a partir de um
produto vetorial.
130
gerado pelo imã. Considerando o tempo na qual a potencia atuou no sistema podemos
estimar a energia dissipada na forma de calor no disco.
Dietrich, Chabu e Cardoso (2001), em seus estudos sobre freios magnéticos
aborda o fato das correntes parasitas reduzir a eficiência dos dispositivos, pois o
fenômeno converte a energia mecânica de movimento (linear ou rotativo) em calor. A
interação entre a corrente induzida e o campo magnético que a gerou provoca o
aparecimento de uma força de repulsão entre ambos. Se o meio apresentar
resistividade nula, a força não diminuirá com o tempo (o caso dos materiais
diamagnéticos perfeitos como os supercondutores, onde o campo não penetra no
material) e o sistema será conservativo. Caso a resistividade seja não nula – como
ocorre na prática para a grande maioria dos materiais – haverá dissipação de potência
no meio condutor devido ao efeito Joule.
O aquecimento por indução depende de dois mecanismos de dissipação de
energia para fins de aquecimento. São as perdas de energia devido ao efeito Joule e
as perdas de energia associadas à histerese magnética. O efeito Joule consiste no
único mecanismo de geração de calor em materiais não magnéticos (por exemplo,
alumínio, cobre, aços inoxidáveis). Já o segundo mecanismo, a histerese magnética, é
um efeito adicional associado aos materiais magnéticos, relacionado à energia
necessária para inverter a orientação dos momentos magnéticos do material, o que
contribui também para a geração de calor produzida na indução (ZINN e SEMIANTIN,
1988).
Materiais Utilizados
- Três discos de alumínio (9cm) de
diâmetro e (2mm) de espessura, um
eixo de 5mm
Um maciço
Um vasado completamente
Um vasado ao meio
- Dois ímãs de neodímio (30mm)
3.3 ATIVIDADE PRÁTICA I
131
- Parafusos
Dois 8 por 20
Dois 8 por 15
- Cinco porcas
Uma com rosca de 5mm
Quatro de rosca de 6mm
- Um suporte de madeira
- Um rolamento pequeno
- Barbante
- Pesos de (100g, 150g)
- Massa epoxi (tipo durepox)
PROCEDIMENTO
1) Acople o rolamento no suporte de
madeira e encaixe no seu interior um
eixo o qual fixará o disco, certifique-
se que os discos girem facilmente no
rolamento e possa ser trocado;
2) Na outra extremidade do eixo, fixe o
barbante, deixando livre um metro de
comprimento, na sua ponta amarre
um peso de 100g;
3) Solde em dois parafusos (6 por 20mm) uma
porca de rosca de 8mm para passagem de
outro parafuso onde será colado os ímãs,
132
depois de soldado fixe um parafuso na frente do disco e outro atrás, na
mesma linha, de maneira que o ímã possa ter sua face completa na
área do disco;
4) Os ímãs devem ser fixados com pólos invertidos (de atração) com a
massa epoxi, um no parafuso de (8 por 15mm) e outro no de (8 por
20mm), deixe secar por duas horas.
DISCUSSÃO:
1) Sem a presença dos imãs, coloque o disco de alumínio maciço no eixo e cronometre o tempo de três decida do peso sem os ímãs, anotando o valor médio. Repita este procedimento nos outros discos. Houve diferenças de medida? Justifique.
2) Coloque os ímãs no suporte e repita o procedimento anterior.
Comparando os discos iguais, o tempo de descida foi o mesmo com e sem imã? Justifique.
3) Analisando a movimento dos diferentes discos com o imã acoplando no sistema, justifique a diferença nos tempos de descida entre os diferentes discos?
133
4) Defina as correntes parasita, ou correntes de Foucault nos diferentes
discos de maneira esquemática: O que esperamos ao final desta atividade?
Ao final desta atividade do Freio Magnético II, esperamos que os alunos
compreendam o real efeito da variação do fluxo magnético em induzir uma corrente
elétrica nos materiais paramagnéticos, como o disco de alumínio. Esperamos também
que os alunos saibam relacionar este efeito com o aparecimento da força de Lorentz,
que gera dissipação da energia mecânica do sistema. Transpor esse aprendizado com
o seu dia a dia, como o funcionamento de fornos e fogões por indução
eletromagnética.
QUESTÕES PROPOSTAS
1) Com base na Lei de Lenz, determine a polaridade da força eletromotriz gerada nos condutores abaixo:
a) b)
134
2) Determine qual o sentido da corrente e a polaridade da força eletromotriz induzida na bobina abaixo, quando o ímã estiver se aproximando da mesma..
3) Qual o sentido da corrente induzida no anel condutor abaixo?
4) No esquema abaixo, a bobina em curto pode deslizar livremente pelo núcleo. Determine o sentido do deslocamento a que estará sujeita esta bobina quando o interruptor estiver sendo: a)ligado b)desligado
5) Na ilustração abaixo o ímã está passando por baixo de uma armação de condutores. Determine o sentido das correntes nos dois percursos fechados ABEFA e BCDEB.
6) Um dardo magnetizado é lançado sobre um alvo. Por trás da marca da mosca está instalada uma bobina cujos terminais estão conectados a um
135
circuito eletrônico para avisar quando o dardo atingir a mosca. Determine o sentido da corrente induzida na bobina caso o dardo acerte a mosca.
7) Como surgem as correntes parasitas ? 8) Por que as correntes parasitas circulam na periferia dos núcleos ? 9) Qual o principal efeito das correntes parasitas em um núcleo ? 10) Quais as maneiras de se diminuir o efeito das correntes de Foucault ? 11) Por que as chapas de um núcleo devem ser isoladas entre si ? 12) Cite três aplicações das correntes de Foucault ?
ATIVIDADE TEÓRICO-PRÁTICA IV
4.1 Objetivo: Esta atividade permite ao aluno estudar experimentalmente transformadores, por meio de demonstração prática. Relacionar a indução de correntes em bobinas, Também é discutido o acoplamento magnético entre as bobinas, visando explicitar as relações existentes entre a variação de tensão, a força eletromotriz e a Lei de Faraday. 4.2 Fundamentação teórica:
O transformador é um dispositivo elétrico que permite
modificar a amplitude de tensões e correntes. Consiste
basicamente de duas bobinas isoladas eletricamente, porém
4. O TRANSFORMADOR ELÉTRICO DESMONTÁVEL
01 Hora Aula
O que é um
transformador?
136
acopladas magneticamente, pois são montadas em torno de um mesmo núcleo de
ferro ou ferrite, (BARRETO; CASTRO JUNIOR; MURARI, SATO 2012).
Instalações elétricas, de um modo geral, podem necessitar que a tensão
fornecida pelas companhias de energia elétrica aumente ou diminua. Nestes casos, é
necessária a utilização de um dispositivo auxiliar - o transformador elétrico - que
permita fazer o ajuste necessário na tensão. Por exemplo, imagine que você compra
um furadeira e descobre que ela é fabricada para funcionar com uma tensão de 220V,
no entanto, em sua casa só existem tomadas com tensão de 110 V. O que fazer nesse
caso? A forma mais fácil de usá-la, sem que ele seja danificada, é utilizar um
transformador, que neste caso, aumentará a tensão da tomada passando de 110 V
para 220 V, permitindo o uso da furadeira na tensão especificada pelo fabricante.
De funcionamento bem simples, o transformador é um dispositivo que opera
com corrente alternada, baseado nos princípios eletromagnéticos da Lei de Faraday e
da Lei de Lenz. O transformador de tensão é constituído por uma peça de ferro,
denominada de núcleo do transformador, ao redor do qual são enroladas duas bobinas
ou mais bobinas. Em uma dessas bobinas é aplicada a tensão primária (Up) que se
deseja transformar, ou seja, aumentar ou diminuir. Essa bobina é chamada de bobina
primária ou enrolamento primário e possui um número específico de espiras (Np). Nos
terminais da outra bobina - a bobina secundária - que conta com um número diferente
de espiras (Ns), a tensão é transformada passando a apresentar um valor diferente -
tensão secundária (Us) - que pode ser maior ou menor que Up, dependendo da relação
entre o número de espiras Np e Ns.
A Figura 16 ilustra um transformador que
funciona do seguinte modo: ao aplicar uma
tensão alternada no enrolamento primário surgirá
uma corrente (ip), também alternada, que
percorrerá todo o enrolamento. Através dessa
corrente é gerado um fluxo magnético no núcleo
de ferro, que varia com o tempo, pois a corrente é
alternada17. Esse fluxo magnético se propaga
através do núcleo passando pela bobina
secundária, onde induz uma força eletromotriz
(tensão) e por consequência uma corrente (is) diferente daquelas verificadas no
enrolamento primário, que dependerão da relação entre Np e Ns.
17
No Brasil, a tensão e as correntes distribuídas pelas concessionárias é alternada e possui frequência de
60 Hz, ou seja, completa 60 ciclos de oscilação a cada segundo.
Figura 16: Esquema de um transformador Fonte: http://teslablog.iaa.es
137
Em um transformador ideal, os efeitos relacionados
às perdas de energia são desprezados, e sendo assim, a
mesma potência que é fornecida ao enrolamento primário,
também é drenada no enrolamento secundário. No
entanto, em um transformador real existem perdas de
energia. Podemos atribuir essas perdas de energia majoritariamente à três motivos; à
resistência dos fios dos enrolamentos, às correntes de Foucault que percorrem o
núcleo e à energia associada à histerese de magnetização do núcleo.
Embora fios de cobre - geralmente usados nos enrolamentos dos
transformadores - apresentem baixa resistência elétrica, essa resistência passa à não
ser mais desprezível quando consideramos que as bobinas geralmente possuem um
numero bem elevado de voltas. Dessa forma, a potência (P) dissipada pela passagem
da corrente elétrica em um fio (i), está relacionada com a resistência elétrica (R)
conforme a Equação 9 abaixo:
É importante notar que toda a energia associada à essa potência passará a
dissipada na forma de calor em decorrência do efeito Joule.
Como o núcleo do transformador é feito
a partir de um metal, é natural que nesse metal
também surja correntes de Foucault,
representado na Figura 17, em decorrência do
fluxo magnético induzido pela bobina primária.
Essas correntes também auxiliam a diminuir a
eficiência do transformador, aumentando o calor
gerado durante seu funcionamento. No entanto,
visando diminuir as perdas de energia pelas correntes de Foucault, medidas como
produzir núcleos compostos por várias laminas de ferro isoladas entre si são adotadas
na fabricação dos transformadores comerciais. Esses núcleos laminados restringem o
caminho das correntes de Foucault, minimizando a dissipação de energia, conforme a
figura acima.
Por fim, o terceiro fator que acarreta perdas de energia está intimamente
ligado à natureza do material magnética do qual o núcleo é feito. É importante lembrar
que para conduzir as linhas de campo geradas em uma bobina para a outra,
necessitamos de materiais onde os momentos magnéticos possam se alinhar com o
campo gerado pela bobina. Os momentos magnéticos, mostrados na Figura 18,
podem ser compreendidos em primeira aproximação como pequenos imãs associados
a cada átomo de material. Nos materiais ditos ferromagnéticos esses momentos
Qual a relação
das correntes de
Foucault com o
transformador?
Figura 17: Representação da correntes de Foucault
138
magnéticos se alinham como o campo magnético de modo a reforçar o campo no
interior do material. Porém como o fluxo magnético no núcleo, gerado na bobina
primária, é alternado, ou seja, varia com o tempo, é natural pensar que ora os
momentos magnéticos estão orientados majoritariamente num sentido, ora no sentido
oposto. Sendo assim, para variar a orientação dos momentos magnéticos de um
material, também é necessária uma energia, que também é dissipada na forma de
calor, contribuindo com o aquecimento do transformador durante seu funcionamento.
Figura 17: Esquema simplicifado mostrando o alinhamento dos momentos magnéticos de um material ferromagnético.
Fonte: Halliday (7ª Edição) É importante notar que um transformador só
funciona quando o mesmo é alimentado com tensão
alternada, pois é necessária a variação do fluxo
magnético para induzir tensão na bobina secundária do
transformador.
Transformadores são utilizados para reduzir ou elevar a tensão no secundário,
mas independente de seu uso sempre oferecem isolação entre o enrolamento primário
e o secundário. São particularmente utilizados em equipamentos nos quais há a
interação humana, garantindo assim maior segurança ao usuário.
Figura 18: Representação do fluxo magnético no transformador em um dado instante de tempo.
Transformador
funciona para
qualquer tipo de
corrente elétrica?
139
Fonte: http://www.sigmatransformadores.com.br/o-transformador/
Desconsiderando-se as perdas, num transformador ideal são válidas as
relações,
, onde e representam o fluxo magnético de cada espira do enrolamento
primário e do secundário respectivamente, chegando na Equação 11:
(11)
O núcleo de ferro de um transformador atua como um condutor de linhas de
campo, por isso só realiza a transformação da intensidade da corrente elétrica em
corrente alternada, condição necessária para que haja variação fluxo magnético.
Torna-se interessante lembrar que diferentes autores usam notações diferentes
para tratar a grandeza Física diferença de potencial. Neste contexto, f.e.m. (força
eletromotriz ( ), tensão (U) ou voltagem (V), apresentam significado análogo e podem
ser compreendidas como a diferença de potencial em cada uma das bobinas. Dessa
forma abaixo segue a Equação 12 geral do transformador ideal:
Conforme a Equação 12, quanto maior for o número de espiras no secundário
em relação ao primário, maior será a tensão obtida no secundário em relação a
alimentação do transformador.
Neste caso, como o transformador tratado no equacionamento acima é ideal –
não oferece perdas resistivas - a energia fornecida ao enrolamento primário é a
mesma que é drenada no secundário. Dessa forma, a potência na bobina primária é
igual ao da secundária, conforme apresentado no equacionamento abaixo.
Sendo assim, a Equação 13 apresenta o comportamento da corrente (i) em um
transformador ideal. Note que quanto maior for o número de espiras (N) no secundário
em relação ao primário, menor será a corrente elétrica obtida no secundário.
(12)
(13)
140
Materiais Utilizados
Dois transformadores reciclados (Núcleos)
Fio de cobre esmaltado AWG 30.
Fita isolante
Fio de cobre 4 mm
Dois pinos (um macho e um fêmea)
Um multímetro
Procedimento:
1) Desmonte o transformador comercial reciclado, separe a parte metálica
(núcleo), retire as bobinas;
2) Veja a sequencia das fotos abaixo para entender como foi desmontado o
transformador:
4.3 ATIVIDADE PRÁTICA I
141
1° passo: separe os dois núcleos
2° passo: retire as bobina, depois refaça a bobina para conhecer o número
de espira feitas cada suporte, de um lado use o fio fino fazendo 700 espiras
e do outro um fio mais grosso, fazendo 300 espiras, conecte em cada
bobina um pino (macho) e na outra um pino (fêmea), em seguida isole cada
bobina.
3° passo: Junte os núcleos de forma que fiquem totalmente fixos.
Discussão: 1) Conecte a tomada do transformador em uma
tensão de 110V e faça a medida com o multímetro conforme a figura ao lado, explique o que aconteceu:
142
2) Relacione o transformador com as correntes de Foucault. 3) Durante a atividade prática, você percebeu um aquecimento no transformador? Justifique: 4) O transformador utilizado possui de um lado 700 espiras e do outro 300 espiras. Inverta os lados ligados à rede elétrica e explique o que acontece.
143
5) Explique o funcionamento do transformador de maneira esquemática, relacionando fluxo magnético, campo magnético, força eletromotriz e corrente.
5) Utilizando apenas a metade do transformador correspondente a 700 voltas e
ligando a mesma à rede elétrica, explique o que acontece quando
aproximamos um material ferromagnético desta metade do transformador.
O que esperamos ao final desta atividade?
Ao final desta atividade do Transformador Desmontável, esperamos que alunos
compreendam o real funcionamento do transformador, suas características e
benefícios, entender a amplitude de suas tensões, tanto para aumenta-la como
144
diminuí-la, proporcionalmente ao seu número de espiras. Saber que seu
funcionamento depende de uma corrente alternada, para gerar uma variação de fluxo,
relacionar este efeito com o aparecimento da força de Lorentz, que gera dissipação da
energia mecânica do sistema e correntes de Foucault. Transpor esse aprendizado
com o seu dia a dia, como o funcionamento de transformadores públicos, usinas
hidrelétrica, transformadores para aparelhos eletrônicos.
QUESTÕES PROPOSTAS
1) (UFRGS) O primário de um transformador alimentado por uma corrente elétrica alternada tem mais espiras do que o secundário. Nesse caso, comparado com o primário, no secundário:
a) a diferença de potencial é a mesma e a corrente elétrica é contínua
b) a diferença de potencial é a mesma e a corrente elétrica é alternada
c) a diferença de potencial é menor e a corrente elétrica é alternada
d) a diferença de potencial é maior e a corrente elétrica é alternada
e) a diferença de potencial é maior e a corrente elétrica é contínua
2) (Unisinos-RS) As companhias de distribuição de energia elétrica utilizam transformadores nas linhas de transmissão. Um determinado transformador é utilizado para baixar a diferença de potencial de 3 800 V (rede urbana) para 115 V (uso residencial).
Nesse transformador:
I. O número de espiras no primário é maior que no secundário;
II. A corrente elétrica no primário é menor que no secundário;
III. A diferença de potencial no secundário é contínua.
Das afirmações acima:
a) Somente I é correta.
b) Somente II é correta.
c) Somente I e II são corretas.
d) Somente I e III são corretas.
e) I, II e III são corretas.
145
3) A tensão elétrica fornecida pelas empresas energéticas em alguns estados do Brasil é 220V, porém muitos aparelhos domésticos trabalham com tensões bem inferiores e já possuem transformadores integrados. Supondo que um aparelho funcione com tensão elétrica de 20V e possua um transformador integrado com 1500 espiras no enrolamento primário. Quantas espiras são necessárias no enrolamento secundário para que a tensão não supere os 20V?
4) A corrente elétrica que passa pelo enrolamento primário do transformador, que tem 800 espiras, é iP = 5A. Calcule a corrente no enrolamento secundário do transformador, sabendo que ele possui 100 espiras.
5) Marque a alternativa ERRADA.
a) Transformadores são dispositivos eletromagnéticos que transformam o valor da tensão elétrica alternada, aplicada em sua entrada, para uma tensão alternada diferente na saída. b) Os transformadores podem ser usados tanto para aumentar quanto para diminuir o valor da tensão. c) Um transformador consiste em duas bobinas enroladas no mesmo núcleo de ferro. d) Um transformador consiste em uma bobina enrolada em dois núcleos de ferro. e) Em transformadores com dois enrolamentos, é comum denominá-los de enrolamento primário e enrolamento secundário.
6) Uma máquina de solda elétrica precisa operar com uma corrente elétrica de 400 A para que haja potência dissipada suficiente para fundir as peças metálicas. A potência necessária é dada por P =R.i2, onde R é a resistência dos eletrodos de solda. Com a intenção de obter esse valor de corrente elétrica, utiliza-se um transformador, que está ligado a uma rede elétrica cuja tensão vale 110 V, e pode fornecer um máximo de 40 A. Qual deve ser a razão do número de espiras entre o enrolamento primário e o secundário do transformador, e qual a tensão de saída?
a) N1/N2 = 5; V = 9 b) N1/N2 = 10; V = 11 c) N1/N2 = 15; V = 15 d) N1/N2 = 20; V = 20 e) N1/N2 = 25; V = 22
146
REFERÊNCIAS BARRETO, G., CASTRO JUNIOR, C. A de., MURARI, C. A. F., SATO, F. Circuitos de Corrente Alternada: Fundamentos e Prática. 1a ed, São Paulo: Oficina de Textos, 2012. Disponível em: http://www.li.facens.br/~machado/lxo/materiais/Exp8.pdf. Acesso em 11 de maio de 2016. GASPAR, A. Compreendendo a Física, 3 Volume, Ensino Médio, Editora Ática, 1ª Edição, São Paulo, 2011 DIETRICH, A. B.; CHABU, I. E. ; CARDOSO, J. R. Eddy-current brake analysis using analytic and FEM calculations - Part I : Theory. In: IEMDC 2001, 2001, Cambridge, Massachussets. IEEE International Electric Machines and Drives Conference, 2001. p. 454-457 FEYNMAN, R. P.; LEIGHTON, R. B.; SANDS, M. The Feynman Lectures on Physics. v. II. 1979. cap. 16-3. FEYNMAN, R. P.; LEIGHTON, R. B.; SANDS, M. The Feynman Lectures on Physics. v. II. 1979. cap. 16-3. HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de Física: Eletromagnetismo, Volume 3; LTC; 2012. KAZUHITO, Y.; FUKE, L. F. Física para o Ensino Médio: Eletricidade Física Moderna, Volume 3, Saraiva, pg.219, 2013.
147
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